Prise en compte du traitement thermique dans la conception des appareils à pression

Le soudage de composants importants, le soudage d'acier allié et le soudage de pièces épaisses nécessitent tous un préchauffage avant le soudage.Les fonctions principales du préchauffage avant soudage sont les suivantes :

(1) Le préchauffage peut ralentir la vitesse de refroidissement après le soudage, ce qui favorise la fuite d'hydrogène diffusible dans le métal fondu et évite les fissures induites par l'hydrogène.Dans le même temps, le degré de durcissement de la soudure et de la zone affectée thermiquement est réduit et la résistance aux fissures du joint soudé est améliorée.

(2) Le préchauffage peut réduire le stress de soudage.Un préchauffage local uniforme ou un préchauffage global peut réduire la différence de température (également appelée gradient de température) entre les pièces à souder dans la zone de soudage.De cette manière, d'une part, la contrainte de soudage est réduite, et d'autre part, le taux de déformation de soudage est réduit, ce qui est bénéfique pour éviter les fissures de soudage.

(3) Le préchauffage peut réduire la retenue de la structure soudée, en particulier la retenue du joint d'angle.Avec l'augmentation de la température de préchauffage, l'incidence des fissures diminue.

Le choix de la température de préchauffage et de la température entre passes n'est pas seulement lié à la composition chimique de l'acier et de l'électrode, mais également à la rigidité de la structure soudée, à la méthode de soudage, à la température ambiante, etc., qui doivent être déterminées après un examen approfondi de ces éléments. facteurs.

De plus, l'uniformité de la température de préchauffage dans le sens de l'épaisseur de la tôle d'acier et l'uniformité dans la zone de soudure ont une influence importante sur la réduction de la contrainte de soudage.La largeur du préchauffage local doit être déterminée en fonction de la contrainte de la pièce à souder.En règle générale, elle doit être trois fois l'épaisseur de paroi autour de la zone de soudure et ne doit pas être inférieure à 150-200 mm.Si le préchauffage n'est pas uniforme, au lieu de réduire la contrainte de soudage, il augmentera la contrainte de soudage.

Le traitement thermique après soudage a trois objectifs : éliminer l'hydrogène, éliminer les contraintes de soudage, améliorer la structure de la soudure et les performances globales.

Le traitement de déshydrogénation post-soudage fait référence au traitement thermique à basse température effectué une fois le soudage terminé et la soudure n'a pas été refroidie en dessous de 100 ° C.La spécification générale est de chauffer à 200 ~ 350 ℃ et de le conserver pendant 2 à 6 heures.La fonction principale du traitement d'élimination de l'hydrogène après soudage est d'accélérer la fuite d'hydrogène dans la soudure et la zone affectée thermiquement, ce qui est extrêmement efficace pour prévenir les fissures de soudage lors du soudage des aciers faiblement alliés.

Pendant le processus de soudage, en raison de la non-uniformité du chauffage et du refroidissement et de la contrainte ou de la contrainte externe du composant lui-même, une contrainte de soudage sera toujours générée dans le composant une fois le travail de soudage terminé.L'existence d'une contrainte de soudage dans le composant réduira la capacité portante réelle de la zone de joint soudé, provoquera une déformation plastique et même entraînera l'endommagement du composant dans les cas graves.

Le traitement thermique de relaxation des contraintes consiste à réduire la limite d'élasticité de la pièce soudée à haute température pour atteindre l'objectif de relâcher la contrainte de soudage.Il existe deux méthodes couramment utilisées : la première est la trempe globale à haute température, c'est-à-dire que l'ensemble de la soudure est placé dans le four de chauffage, chauffé lentement à une certaine température, puis maintenu pendant un certain temps, et finalement refroidi à l'air ou dans le four.

De cette manière, 80% à 90% des contraintes de soudage peuvent être éliminées.Une autre méthode est la trempe locale à haute température, c'est-à-dire en ne chauffant que la soudure et sa zone environnante, puis en refroidissant lentement, en réduisant la valeur maximale de la contrainte de soudage, en rendant la répartition des contraintes relativement plate et en éliminant partiellement la contrainte de soudage.

Après le soudage de certains matériaux en acier allié, leurs joints soudés apparaîtront comme une structure durcie, ce qui détériorera les propriétés mécaniques du matériau.De plus, cette structure durcie peut conduire à la destruction du joint sous l'action de la contrainte de soudage et de l'hydrogène.Après traitement thermique, la structure métallographique du joint est améliorée, la plasticité et la ténacité du joint soudé sont améliorées et les propriétés mécaniques globales du joint soudé sont améliorées.

Le traitement de déshydrogénation consiste à maintenir au chaud pendant une période de temps dans la plage de température de chauffage de 300 à 400 degrés.Le but est d'accélérer la fuite d'hydrogène dans le joint soudé, et l'effet du traitement de déshydrogénation est meilleur que celui du post-chauffage à basse température.

Le traitement thermique post-soudage et post-soudage, le post-chauffage et le traitement de déshydrogénation en temps opportun après le soudage sont l'une des mesures efficaces pour prévenir les fissures à froid lors du soudage.Les fissures induites par l'hydrogène causées par l'accumulation d'hydrogène dans le soudage multipasses et multicouches de tôles épaisses doivent être traitées avec 2 à 3 traitements intermédiaires d'élimination de l'hydrogène.

Prise en compte du traitement thermique dans la conception des appareils à pression

Prise en compte du traitement thermique dans la conception des récipients sous pression Le traitement thermique, en tant que méthode traditionnelle et efficace pour améliorer et restaurer les propriétés du métal, a toujours été un maillon relativement faible dans la conception et la fabrication des récipients sous pression.

Les récipients sous pression impliquent quatre types de traitements thermiques :

Traitement thermique post-soudure (traitement thermique anti-stress);traitement thermique pour améliorer les propriétés des matériaux ;traitement thermique pour restaurer les propriétés des matériaux;traitement d'élimination de l'hydrogène après soudage.L'objectif ici est de discuter des problèmes liés au traitement thermique post-soudage, qui est largement utilisé dans la conception des récipients sous pression.

1. Le récipient sous pression en acier inoxydable austénitique nécessite-t-il un traitement thermique après soudage ?Le traitement thermique post-soudage consiste à utiliser la réduction de la limite d'élasticité du matériau métallique à haute température pour générer un écoulement plastique à l'endroit où la contrainte est élevée, de manière à atteindre l'objectif d'éliminer la contrainte résiduelle de soudage, et à la en même temps peut améliorer la plasticité et la ténacité des joints soudés et de la zone affectée par la chaleur, et améliorer la capacité à résister à la corrosion sous contrainte.Cette méthode de relaxation des contraintes est largement utilisée dans les récipients sous pression en acier au carbone et en acier faiblement allié avec une structure cristalline cubique centrée sur le corps.

La structure cristalline de l'acier inoxydable austénitique est cubique à faces centrées.Étant donné que le matériau métallique de la structure cristalline cubique à faces centrées a plus de plans de glissement que le cubique à corps centré, il présente de bonnes propriétés de ténacité et de renforcement des contraintes.

De plus, dans la conception des récipients sous pression, l'acier inoxydable est souvent sélectionné pour les deux objectifs d'anti-corrosion et de satisfaction des exigences particulières de température.De plus, l'acier inoxydable est cher par rapport à l'acier au carbone et à l'acier faiblement allié, de sorte que son épaisseur de paroi ne sera pas très élevée.épais.

Par conséquent, compte tenu de la sécurité d'un fonctionnement normal, il n'est pas nécessaire d'exiger un traitement thermique après soudage pour les récipients sous pression en acier inoxydable austénitique.

Quant à la corrosion due à l'utilisation, l'instabilité du matériau, telle que la détérioration causée par des conditions de fonctionnement anormales telles que la fatigue, la charge d'impact, etc., est difficile à prendre en compte dans la conception conventionnelle.Si ces situations existent, le personnel scientifique et technique concerné (tel que : la conception, l'utilisation, la recherche scientifique et d'autres unités pertinentes) doit mener des recherches approfondies, des expériences comparatives et proposer un plan de traitement thermique réalisable pour s'assurer que le les performances de service du récipient sous pression ne sont pas affectées.

Sinon, si le besoin et la possibilité d'un traitement thermique pour les récipients sous pression en acier inoxydable austénitique ne sont pas pleinement pris en compte, il est souvent impossible de simplement établir des exigences de traitement thermique pour l'acier inoxydable austénitique par analogie avec l'acier au carbone et l'acier faiblement allié.

Dans la norme actuelle, les exigences relatives au traitement thermique après soudage des récipients sous pression en acier inoxydable austénitique sont plutôt vagues.Il est stipulé dans GB150 : « Sauf indication contraire dans les dessins, les têtes en acier inoxydable austénitique formées à froid ne peuvent pas être traitées thermiquement ».

Quant à savoir si un traitement thermique est effectué dans d'autres cas, cela peut varier selon la compréhension de différentes personnes.Il est stipulé dans GB150 que le conteneur et ses composants sous pression répondent à l'une des conditions suivantes et doivent être traités thermiquement.Les deuxième et troisième items sont : « Conteneurs présentant une corrosion sous contrainte, tels que les conteneurs contenant du gaz de pétrole liquéfié, de l'ammoniac liquide, etc.et « Récipients contenant des milieux extrêmement ou hautement toxiques ».

Il y est seulement stipulé : « Sauf indication contraire dans les dessins, les joints soudés en acier inoxydable austénitique ne peuvent pas être traités thermiquement ».

Au niveau de l'expression standard, cette exigence doit s'entendre principalement pour les différentes situations énumérées au premier point.Les deuxième et troisième situations susmentionnées ne sont pas nécessairement incluses.

De cette manière, les exigences relatives au traitement thermique après soudage des récipients sous pression en acier inoxydable austénitique peuvent être exprimées de manière plus complète et plus précise, de sorte que les concepteurs peuvent décider si et comment traiter thermiquement les récipients sous pression en acier inoxydable austénitique en fonction de la situation réelle.

L'article 74 de la 99e édition du « Règlement sur la capacité » stipule clairement : « Les récipients sous pression en acier inoxydable austénitique ou en métaux non ferreux ne nécessitent généralement pas de traitement thermique après soudage.Si un traitement thermique est requis pour des exigences particulières, cela doit être indiqué sur le dessin.

2. Traitement thermique des conteneurs explosifs en tôle d'acier revêtue d'acier inoxydable Les tôles d'acier explosives revêtues d'acier inoxydable sont de plus en plus largement utilisées dans l'industrie des récipients sous pression en raison de leur excellente résistance à la corrosion, de leur combinaison parfaite de résistance mécanique et de performances de coût raisonnables.Les problèmes de traitement thermique doivent également être portés à l'attention des concepteurs d'appareils sous pression.

L'indice technique auquel les concepteurs d'appareils sous pression attachent généralement de l'importance pour les panneaux composites est son taux de collage, tandis que le traitement thermique des panneaux composites est souvent considéré comme très peu ou devrait être pris en compte par les normes techniques et les fabricants concernés.Le processus de sablage des panneaux composites métalliques consiste essentiellement à appliquer de l'énergie à la surface métallique.

Sous l'action d'une impulsion à grande vitesse, le matériau composite entre en collision oblique avec le matériau de base et, à l'état de jet métallique, une interface composite en zigzag se forme entre le métal plaqué et le métal de base pour réaliser la liaison entre les atomes.

Le métal de base après le traitement par explosion est en fait soumis à un processus de renforcement de déformation.

En conséquence, la résistance à la traction σb augmente, l'indice de plasticité diminue et la valeur de la limite d'élasticité σs n'est pas évidente.Qu'il s'agisse d'acier de la série Q235 ou de 16MnR, après traitement par explosion puis test de ses propriétés mécaniques, tous montrent le phénomène de renforcement de déformation ci-dessus.A cet égard, à la fois la plaque plaquée d'acier au titane et la plaque plaquée d'acier au nickel nécessitent que la plaque plaquée soit soumise à un traitement thermique de relaxation des contraintes après le mélange explosif.

La 99e édition de la «jauge de capacité» contient également des réglementations claires à ce sujet, mais aucune réglementation de ce type n'est établie pour la plaque d'acier inoxydable austénitique composite explosive.

Dans les normes techniques pertinentes actuelles, la question de savoir si et comment traiter thermiquement la plaque d'acier inoxydable austénitique après le traitement par explosion est relativement vague.

GB8165-87 "Tôle d'acier revêtue d'acier inoxydable" stipule : "Conformément à l'accord entre le fournisseur et l'acheteur, il peut également être livré à l'état laminé à chaud ou à l'état traité thermiquement."Fourni pour niveler, tailler ou couper.Sur demande, la surface composite peut être décapée, passivée ou polie, et peut également être livrée à l'état traité thermiquement.

Il n'y a aucune mention de la façon dont le traitement thermique est effectué.La raison principale de cette situation est toujours le problème mentionné ci-dessus des zones sensibilisées où l'acier inoxydable austénitique produit une corrosion intergranulaire.

GB8547-87 "Plaque revêtue d'acier au titane" stipule que le système de traitement thermique pour le traitement thermique de soulagement des contraintes de la plaque revêtue d'acier au titane est : 540 ℃ ± 25 ℃, conservation de la chaleur pendant 3 heures.Et cette température se situe juste dans la plage de température de sensibilisation de l'acier inoxydable austénitique (400℃–850℃).

Par conséquent, il est difficile de donner des réglementations claires pour le traitement thermique des tôles d'acier inoxydable austénitique composite explosif.À cet égard, nos concepteurs d'appareils sous pression doivent avoir une compréhension claire, accorder une attention suffisante et prendre les mesures correspondantes.

Tout d'abord, 1Cr18Ni9Ti ne doit pas être utilisé pour l'acier inoxydable plaqué, car par rapport à l'acier inoxydable austénitique à faible teneur en carbone 0Cr18Ni9, sa teneur en carbone est plus élevée, la sensibilisation est plus susceptible de se produire et sa résistance à la corrosion intergranulaire est réduite.

De plus, lorsque l'enveloppe et la tête du récipient sous pression en tôle d'acier inoxydable austénitique composite explosive sont utilisées dans des conditions difficiles, telles que : haute pression, fluctuations de pression et fluides extrêmement et très dangereux, 00Cr17Ni14Mo2 doit être utilisé.Les aciers inoxydables austénitiques à très faible teneur en carbone minimisent la possibilité de sensibilisation.

Les exigences de traitement thermique pour les panneaux composites doivent être clairement définies et le système de traitement thermique doit être déterminé en consultation avec les parties concernées, de manière à atteindre l'objectif que le matériau de base ait une certaine quantité de réserve de plastique et que le matériau composite ait la résistance à la corrosion requise.

3. D'autres méthodes peuvent-elles être utilisées pour remplacer le traitement thermique global de l'équipement ?En raison des limitations des conditions du fabricant et de la prise en compte des intérêts économiques, de nombreuses personnes ont exploré d'autres méthodes pour remplacer le traitement thermique global des récipients sous pression.Bien que ces explorations soient bénéfiques et précieuses, mais à l'heure actuelle, elles ne remplacent pas non plus le traitement thermique global des récipients sous pression.

Les exigences relatives au traitement thermique intégral n'ont pas été assouplies dans les normes et procédures actuellement en vigueur.Parmi les différentes alternatives au traitement thermique global, les plus typiques sont : le traitement thermique local, la méthode de martelage pour éliminer les contraintes résiduelles de soudage, la méthode d'explosion pour éliminer les contraintes résiduelles de soudage et la méthode des vibrations, la méthode du bain d'eau chaude, etc.

Traitement thermique partiel : Il est stipulé dans 10.4.5.3 de GB150-1998 "Récipients sous pression en acier": "Les joints soudés B, C, D, les joints soudés de type A reliant la tête sphérique et le cylindre et les pièces de réparation de soudage défectueuses sont autorisés à utiliser traitement thermique partiel.Méthode de traitement thermique.Cette réglementation signifie que la méthode de traitement thermique local n'est pas autorisée pour la soudure de classe A sur le cylindre, c'est-à-dire que l'ensemble de l'équipement n'est pas autorisé à utiliser la méthode de traitement thermique local, l'une des raisons est que la contrainte résiduelle de soudage ne peut pas être éliminés symétriquement.

La méthode de martelage élimine les contraintes résiduelles de soudage : c'est-à-dire que, grâce au martelage manuel, une contrainte de laminage est superposée à la surface du joint soudé, compensant ainsi partiellement l'effet néfaste des contraintes de traction résiduelles.

En principe, cette méthode a un certain effet inhibiteur sur la prévention de la fissuration par corrosion sous contrainte.

Cependant, comme il n'y a pas d'indicateurs quantitatifs et de procédures d'exploitation plus strictes dans le processus d'exploitation pratique, et que le travail de vérification pour la comparaison et l'utilisation n'est pas suffisant, il n'a pas été adopté par la norme actuelle.

Méthode d'explosion pour éliminer les contraintes résiduelles de soudage : l'explosif est spécialement conçu en forme de bande et la paroi interne de l'équipement est collée sur la surface du joint soudé.Le mécanisme est le même que celui de la méthode du marteau pour éliminer les contraintes résiduelles de soudage.

On dit que cette méthode peut compenser certaines des lacunes de la méthode de martelage pour éliminer les contraintes résiduelles de soudage.Cependant, certaines unités ont utilisé le traitement thermique global et la méthode d'explosion pour éliminer les contraintes résiduelles de soudage sur deux réservoirs de stockage de GPL dans les mêmes conditions.Des années plus tard, l'inspection d'ouverture du réservoir a révélé que les joints soudés du premier étaient intacts, tandis que les joints soudés du réservoir de stockage dont la contrainte résiduelle a été éliminée par la méthode d'explosion présentaient de nombreuses fissures.De cette façon, la méthode d'explosion autrefois populaire pour éliminer les contraintes résiduelles de soudage est silencieuse.

Il existe d'autres méthodes de soulagement des contraintes résiduelles de soudage qui, pour diverses raisons, n'ont pas été acceptées par l'industrie des récipients sous pression.En un mot, le traitement thermique global après soudage des récipients sous pression (y compris le sous-traitement thermique dans le four) présente les inconvénients d'une consommation d'énergie élevée et d'un long temps de cycle, et il fait face à diverses difficultés de fonctionnement réel en raison de facteurs tels que le structure du récipient sous pression, mais c'est toujours l'industrie actuelle des récipients sous pression.La seule méthode d'élimination des contraintes résiduelles de soudage acceptable à tous égards.