阅读说明：本技术 局部温差调控残余应力热处理方法 (Heat treatment method for regulating residual stress by local temperature difference ) 是由 蒋文春 谷文斌 金强 罗云 王金光 涂善东 于 2020-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种局部温差调控残余应力热处理方法,具体涉及热处理调控残余应力领域。本发明基于常规加热方法对设备进行热处理升温保温操作,热处理保温操作后,针对设备外壁保留覆盖于其上的保温棉,使其缓慢降温,同时对设备内壁进行水冷处理,根据设备类型设置喷洒体积范围,利用喷淋装置喷洒设备内壁或焊缝进行降温,直至设备冷却至室温,基于设备内外壁间存在的巨大温差形成畸变温度场调控残余应力,控制设备变形情况。本发明降低了设备的残余应力,实现了热处理后设备应力的均匀分布,将设备表面产生的拉应力转变为压应力,提高了设备的耐应力腐蚀开裂性能和疲劳性能,延长了设备的使用寿命,操作方便、经济高效,具有重要的工程应用价值。(The invention discloses a heat treatment method for regulating and controlling residual stress by local temperature difference, and particularly relates to the field of regulating and controlling residual stress by heat treatment. The equipment is subjected to heat treatment temperature rise and heat preservation operation based on a conventional heating method, after the heat treatment and heat preservation operation, heat preservation cotton covered on the equipment is reserved aiming at the outer wall of the equipment, the equipment is slowly cooled, meanwhile, the inner wall of the equipment is subjected to water cooling treatment, a spraying volume range is set according to the type of the equipment, the inner wall of the equipment or a welding line is sprayed by a spraying device for cooling until the equipment is cooled to room temperature, a distortion temperature field is formed based on the huge temperature difference between the inner wall and the outer wall of the equipment to regulate and control the residual stress. The invention reduces the residual stress of the equipment, realizes the uniform distribution of the equipment stress after heat treatment, converts the tensile stress generated on the surface of the equipment into the compressive stress, improves the stress corrosion cracking resistance and the fatigue resistance of the equipment, prolongs the service life of the equipment, is convenient to operate, is economic and efficient, and has important engineering application value.)

局部温差调控残余应力热处理方法

技术领域

本发明涉及热处理调控残余应力领域，具体涉及一种局部温差调控残余应力热处理方法。

背景技术

进入21世纪以来，随着石油化工行业等领域逐步迈向大型化、高产量以及工业产品需求量的大副增加，越来越多的管道及压力容器服役于高温高压环境中，由于介质中富含硫、氢等腐蚀性元素，对管道和压力容器内壁造成腐蚀，特别是焊缝附近。焊缝内壁由于无法有效的降低焊接残余应力而存在较大的拉应力，长期处于这种严苛环境中将导致更为严峻的应力腐蚀问题，从而降低设备的使用寿命，造成重大事故和经济损失。

如何降低装备的残余应力以及减少应力腐蚀开裂几率一直是工程界广泛关注的问题，这直接关系到装备结构的完整性。目前预防应力腐蚀的方法，主要包括：避免使用对应力腐蚀敏感的材料、改善腐蚀环境，在介质中添加缓蚀剂、在设备采用金属或非金属保护层以及热处理方法降低拉应力等方式。上述方法所带来的工程造价较高，而目前常规的整体或局部热处理方法在热处理后设备内壁应力降低较小，热处理后仍存在着较大的拉应力，在腐蚀性介质的作用下设备仍较易发生应力腐蚀开裂。因此，需要提供一种新的热处理工艺，使得处理后设备的内壁拉应力显著降低，甚至为压应力状态，从而提高设备的耐应力腐蚀能力，增加使用寿命。

发明内容

为了解决上述问题，提高设备的耐应力腐蚀能力，本发明提供了一种局部温差调控残余应力热处理方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种局部温差调控残余应力热处理方法，基于常规加热方法对设备进行热处理升温保温操作，设备热处理保温操作结束后，针对设备外壁保留覆盖于其上的保温棉，使设备外壁缓慢降温，同时针对设备内壁进行水冷处理，采用淋喷装置对设备内壁或焊缝进行喷洒降温，直至设备彻底冷却至室温。

优选地，所述热处理升温保温操作按照国家规定的热处理标准执行。

优选地，所述水冷处理过程中，若设备为回转设备，则喷淋装置的喷洒体积范围不小于

其中R为回转设备壳体的半径，T为回转设备壳体的厚度；若设备为平板设备，则喷淋装置的喷洒体积范围不小于4KH，其中K为设备的焊缝宽度，H为设备的板材厚度。

优选地，所述水冷处理过程中喷洒时间为设备开始水冷处理至设备冷却至室温所用的时间。

优选地，所述水冷处理导致设备内壁与外壁间存在较高的温差，设备冷却至室温过程中，设备内壁产生的预收缩抗力大于设备外壁收缩对其产生的力，因此控制设备变形情况。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种局部温差调控残余应力热处理方法，利用外部冷却源对设备进行冷却处理产生畸变温度场，基于畸变温度场的温差调控残余应力、控制设备的变形情况；

本发明方法降低了设备的残余应力，实现了热处理后设备应力的均匀分布，并将设备表面产生的拉应力转变为压应力，提高了设备的耐应力腐蚀开裂性能和疲劳性能，延长了设备的使用寿命；

本发明方法操作方便，经济高效，具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1为局部温差调控残余应力热处理方法的示意图。

图2为实施例1中高压储罐内壁焊缝附近的应力分布图；其中，图2(a)为高压储罐内壁焊缝附近的轴向应力分布图，图2(b)为高压储罐内壁焊缝附近的环向应力分布图。

图3为实施例2中喷淋装置及喷水范围示意图。

图4为实施例2中热处理前后的应力分布图；其中，图4(a)为试件焊缝附近的横向残余应力分布图，图4(b)为试件焊缝附近的纵向残余应力分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1所示，一种局部温差调控残余应力热处理方法，具体内容如下：

首先，基于常规加热方法对设备进行热处理升温保温操作，热处理升温保温操作按照国家规定的热处理标准执行。

然后，当设备热处理保温操作结束后，针对设备外壁保留覆盖于其上的保温棉，使设备外壁缓慢降温，同时针对设备内壁进行水冷处理，采用淋喷装置对设备内壁或焊缝进行喷洒降温，直至设备彻底冷却至室温；其中，根据设备类型设置喷淋装置的喷淋体积范围，若设备为回转设备，例如管道、容器等，则设置喷淋装置的喷洒体积范围不小于R为回转设备壳体的半径，T为回转设备壳体的厚度，若设备为平板设备，则设置喷淋装置的喷洒体积范围不小于4KH，K为设备的焊缝宽度，H为设备的板材厚度。

因为水冷处理导致设备内壁与外壁间存在较高的温差，并且设备冷却至室温过程中，设备外壁散热降温缓慢，设备内壁经水冷处理后收缩产生预收缩抗力，设备内壁产生的预收缩力大于外壁收缩对其产生的作用力，两者相互抵消，因此，利用设备内外壁温差调控残余应力，控制设备变形情况；同时，当设备整体冷却至室温状态后，作用于设备内壁上的应力显著降低，并且当设备内外壁温差足够大(温差为300～400℃)时，设备处于压应力状态，即使仅依靠外壁的常规冷却收缩，也能降低作用于设备外壁的残余应力。

实施例1

以内径2000mm、壁厚25mm的高压储罐为例，采用本发明一种局部温差调控残余应力热处理方法，对高压储罐进行热处理。

首先，高压储罐上存在焊缝，按照标准规定的局部热处理工艺在焊缝附近对高压储罐进行局部热处理，热处理保温温度为650℃；高压储罐热处理保温完成后，保留高压储罐外壁的保温棉，由于保温棉的作用，高压储罐外壁温度下降缓慢，同时，对高压储罐内壁焊缝两侧400mm的区域范围进行冷却处理，利用喷淋装置对该区域喷水冷却，直至设备冷却至室温；最后，进行压痕残余应力测试实验，获取高压储罐内壁焊缝附近的应力分布情况，如图2所示。图2所示为焊缝两侧距离焊缝150mm范围内的应力分布情况；其中，图中横坐标为0处表示焊缝所在位置，图2(a)为高压储罐内壁焊缝附近的轴向应力分布情况，图2(b)为高压储罐内壁焊缝附近的环向应力分布情况。

图2验证了本发明方法对应力的改善效果，分析图2可以得到，采用本发明提出的一种局部温差调控残余应力的热处理方法，能够大幅度地降低高压储罐裂缝附近的轴向应力和环向应力，使得作用在裂缝上的拉应力转变为压应力，该方法对残余应力的调控效果显著，并且，容器内外表面的温差越大，残余应力改善效果越明显。

实施例2

以规格为300mm×300mm×30mm的平板结构试件为例，该试件为复合板堆焊，包括基层材料和堆焊层，选取五块该规格试件进行堆焊，并在堆焊后进行缺陷检测，测量堆焊试板尺寸和堆焊层厚度，当所有焊接工艺完成后，分别在五块试件上选择焊接应力测点，测量五块试件垂直于焊缝方向上的焊接残余应力，计算五块试件测量结果的平均值。

将五块试件依次放入加热炉中进行整体热处理，热处理保温温度为690℃，热处理保温完成后，取出试件，迅速向试件的内壁堆焊层喷洒冷却水，直至试件冷却至室温，喷淋装置和喷水范围如图3所示，此时试件经冷却处理后的内壁与自然降温的外壁，两者温差为300-400℃。

采用本发明提出的局部温差调控残余应力的热处理方法处理试件完成后，针对各试件再次测量焊接应力测点处的应力值，并求取平均值作为采用本发明方法热处理后的应力状态测量结果，如图4所示。分析图4可以得到，采用本发明方法使得试件表面应力分布均匀，并且试件横向和纵向上的残余拉应力均转变为了压应力，由图4可得，试件补焊焊缝区的横向残余拉应力的最大值由261MPa消减到-200MPa左右，试件补焊焊缝区的纵向残余拉应力的最大值由324MPa消减到-191MPa，采用本发明方法使得试件的横向残余拉应力消减幅度为177％、纵向残余拉应力消减幅度为159％，并且在试件内壁形成了较大的应压力；进一步沿路径分析，得到试件的横向残余拉应力最大值由热处理前的295MPa消减到-97MPa，减小了392MPa，处理后横向残余应力最大值位于试件补焊焊缝母材区，同时，试件的纵向残余拉应力最大值由热处理前的324MPa消减到-180MPa，减小了504MPa，并且处理后纵向残余应力最大值同样位于补焊母材区。由此可得，采用本发明方法对复合板堆焊结构进行局部温差热处理，能够大幅度降低结构的残余应力值，使得应力分布更加均匀，热处理后的设备内壁全部为残余应压力，提升了补焊接头的耐应力腐蚀开裂性能和疲劳性能，延长了结构的使用寿命，具有重要的工程应用价值。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。