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热处理培训

陕西化建设备制造公司

技术科热处理培训

王东林

2014.6.05

目录

一热处理基本理论介绍1

1.1热处理定义及FeC相图1

1.2热处理简介1

二压力容器常用热处理5

2.1成形受压元件的恢复性能热处理5

2.2焊后热处理6

2.3改善材料力学性能热处理9

2.4焊前预热9

2.5后热11

三厂内热处理设备及工艺简介12

3.1厂内热处理设备12

3.2热处理设备标准要求13

3.3热处理工艺简介13

四焊后热处理质量控制17

4.1热处理前及热处理中质量控制17

4.2热处理后质量检查17

五热处理安全控制19

5.1热处理操作人员19

5.2设备要求19

5.3操作前准备19

六施工通用表格20

一、热处理基本理论介绍

1.1热处理定义及FeC相图

热处理：

将工件加热到一定温度，在此温度下保温一段时间，然后以一定速度冷却下来，从而改变金属的内部组织结构，以得到预期的性能。

其中包括机械性能，工艺性能，物理性能和化学性能等。

Fe-C相图是研究热处理的理论基础（见图1）。

图1：

Fe-C相图示意图

1.2热处理简介

在实际生产中，热处理过程是比较复杂的，可能是由多次加热和冷却过程组成，但基本工艺过程是由加热、保温、冷却三个阶段构成，温度和时间是影响热处理的主要元素。

图2为热处理的基本工艺曲线。

图2：

热处理的基本工艺曲线

图3为铁碳合金相图中钢的固态部分，与低碳钢相关的固态相变温度为G-S线和P-S-K线，分别称为A3线和A1线。

在实际加热和冷却时，由于存在过热和过冷现象，加热时钢的相变温度将高于A3和A1线，所以在加热时的相变临界点用Ac3线和Ac1线表示；冷却时钢的相变温度低于A3线和A1线，所以在冷却时的相变临界点用Ar3和Ar1线表示。

图3：

加热和冷却时Fe-C相图上临界点示意图

热处理的目的和任务：

不改变工件形状而是改变工件的组织和性能。

工业上常用热处理方法如图4。

图4：

工业热处理分类

热处理行业上常讲的“四把火”是指：

退火，正火，淬火，回火。

退火：

将钢件加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。

根据钢的成分和目的不同，退火又分为：

完全退火，不完全退火，等温退火，球化退火，焊后热处理等。

压力容器行业常用的为消除应力退火。

焊后热处理：

是指为改善焊接区域的性能，消除焊接残余应力等有害影响，将焊接区域或其中部分在金属相变点以下（Ac1以下100～200℃）加热到足够高的温度，并保持一定的时间，而后均匀冷却的热过程。

正火：

将工件加热到Ac3或Acm以上30℃~50℃，保持一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。

目的是为了细化晶粒，均匀组织，降低应力。

淬火：

将钢件加热到临界温度以上（一般情况：

亚共析钢为Ac3以上30～50℃；过共析钢为Ac1以上30～50℃），经适当保温后快冷，使奥氏体转变成马氏体的过程。

回火：

将经过淬火的钢加热到Ac1以下的适当温度，保持一定时间，然后用符合要求的方法冷却（通常是空冷），以获得组织和性能的热处理功能。

按回火温度的不同又将回火分为：

低温回火，中温回火，高温回火三种。

淬火+高温回火的热处理又称为调质。

本培训所引用标准及规范

GB150.4-2011压力容器；

GB151-1999管壳式换热器；

NB/T47015-2011压力容器焊接规程

GB12459-2005钢制对焊无缝管件

HG/T20584-2011钢制化工容器制造技术要求

GB/T16923-1997钢件的正火与退火

GB25198-2010压力容器封头

SEI15CrMoR（H）钢技术条件

北京院Cr-Mo钢技术条件

二、压力容器常用热处理

压力容器常用热处理包括成型受压元件的恢复性能热处理；焊后热处理；改善材料力学性能热处理；焊前预热；焊后消氢。

2.1成型受压元件的恢复性能热处理

2.1.1标准要求

恢复性能热处理：

对于碳素钢、低合金钢是指进行再结晶温度退火，消除残余应力、应变强化等不良影响。

再结晶是当退火温度足够高、时间足够长时，在变形金属或合金的纤维组织中，产生无应变的新晶粒-再结晶核心。

新晶粒不断长大，直至原来的变形组织完全消失。

金属或合金的性能也发生显著变化，这一过程称为再结晶。

压力容器中钢板冷成形受压元件，当符合下列任意条件之一，且变形率超过规定条件（变形率控制指标见GB150.4-2011表4）时，应于成形后进行相应热处理恢复材料的性能的热处理。

2.1.1.1.盛装毒性为极度或高度危害介质的容器；

2.1.1.2.图样注明有应力腐蚀的容器；

2.1.1.3.对碳钢、低合金钢，成形前厚度大于16mm者；

2.1.1.4.对碳钢、低合金钢成形后减薄量大于10%者；

2.1.1.5.对碳钢、低合金钢，材料要求做冲击试验者;

2.1.1.6技术协议中，制造过程中改变原材料供货热处理状态的。

分步冷成形时，若不进行中间热处理，则成形件的变形率为各分步成形变形率之和；若进行中间热处理，则分别计算成形件在中间热处理前后变形率之和。

若需消除温成形工件的变形残余应力，可参照2.1.1对冷成形工件的热处理条件和要求进行。

若热成形或温成形改变了材料供货热处理状态，应重新进行热处理，恢复材料供货热处理状态。

当成形温度、恢复材料供货热处理状态的热处理有特殊要求时，应遵循相关标准、规范或设计文件的规定。

GB25198-2010中：

当钢板供货与使用的热处理状态一致时，则热成形的终止温度不低于材料的正火最低温度，热成形后可不再进行正火处理；

整板成形及先拼板后成形的钢制半球形、椭圆形、碟形封头以及平底形封头，应于冷成形后进行热处理；

除图样另有规定，冷成形的奥氏体不锈钢制半球形、椭圆形、碟形封头以及平底形封头，成形后可不进行热处理。

2.1.2工程实例

横醋酸项目火炬分液罐，材质16MnDR,φ457×26的筒节变形率超过规定条件，需要采用冷加工或热加工来恢复性能热处理。

2.2焊后热处理

2.2.1标准要求

容器及其受压元件按材料、焊接接头厚度（即焊后热处理厚度δPWHT）和设计要求确定是否进行焊后热处理。

焊接接头厚度的确定按GB150.4-2011中8.2.1的要求。

a）对等厚全焊透对接接头为钢材厚度；

b）对于对接焊缝和角焊缝为焊缝厚度；

c）对于组合焊缝为对接焊缝与角焊缝厚度中交大者；

d）当不同厚度元件焊接时：

---------不等厚对接接头取较薄元件的钢材厚度；

----------壳体与管板、平封头、盖板及其他类似元件的B类焊接接头，取壳体厚度；

----------接管与法兰焊接时，取接头处接管颈厚度、壳体厚度、强圈厚度和连接角焊缝厚度较大者；

----------接管与法兰焊接时，取接头处接管颈厚度；对于GB150.3-2011图7-1g所示结构取法兰厚度；

-----------对于GB150.3-2011附录D图D.12b所示内封头连接结构取圆筒和封头厚度的大者；

-----------非受压元件与受压元件焊接时，取焊缝厚度

需进行焊后热处理的条件包括焊接焊接接头厚度、材质及是否预热（具体见GB150.4-2011中8.2.2的要求）。

焊接接头厚度符合图5的规定：

图5需进行焊后热处理的焊接接头厚度

图样注明有应力腐蚀的容器；

用于盛装毒性为极度或高度危害介质的碳素钢和低合金钢制容器；

当相关标准或图样另有规定时；

奥氏体不锈钢复合钢应尽量避免焊后热处理。

当需要进行焊后热处理时，应避免覆层母材和焊接接头中铬碳化合物析出和形成δ相。

GB151-1999换热器热处理中：

1）管箱、浮头盖的热处理：

碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖以及管箱的侧向开孔超过1/3圆筒内径的管箱，在施焊后作消除应力的热处理，设备法兰密封面应在热处理后加工；除图样另有规定，奥氏体不锈钢制管箱、浮头盖可不进行热处理。

2）U形管的热处理：

当有耐应力腐蚀要求时，冷弯U形管的弯管段及至少包括150mm的直管段应进行热处理：

碳钢、低合金钢钢管进行消除应力热处理；奥氏体不锈钢管可按供需双方商定的办法进行热处理。

有色金属管一般不作消除应力热处理。

确有需要时，可按供需双方协商的方法及要求进行消除应力热处理。

3）管板的热处理：

除不锈钢外，拼接后管板应作消除应力热处理。

2.2.2施工规范

2.2.2.1焊后热处理应在焊后外观检验合格（要求不允许有焊瘤、凹陷及焊接变形等外观缺陷，不允许漏焊，预焊件焊接完毕）后；无损检验合格（特殊材料，特殊设备热处理完后应进行全部或局部无损检测；要求检验比例、检测等级必须符合图纸技术要求，确认合格，不得有漏测项目）后方能进行；

2.2.2.2编制热处理工艺卡，必要时要编制热处理技术方案，需有编制、审核和批准。

2.2.2.3检验员应监督热处理操作工按照《热处理工艺卡》和本标准的规定进行热处理操作。

2.2.2.4热处理前，热处理工程师必须检查并确认热处理炉和温度测量及记录仪表处于良好状况、温度测量和记录仪表具有足够的量程范围和精确度，并经过正确校验。

操作工应核实附件和适当的支撑物已经准备好。

部件和支撑物应固定牢，不会对被进行热处理的产品造成额外的受力。

热处理工程师应对以上工作内容进行核实。

2.2.2.6当需要固定热电偶的临时附件焊接连接到受压元件上时，应由合格焊工按照经批准的WPS进行焊接。

检验员应对焊接进行检查。

2.2.2.7加热时，操作工应正确调整加热设备，防止火焰与设备直接接触。

2.2.2.8热处理记录与资料归档

2.2.2.8.1设备热处理完毕后，热处理操作员及时收集热处理曲线，签字确认后交由热处理工程师。

2.2.2.8.2热处理工程师审核热处理曲线，检查其是否符合NB/T47015-2011《钢制压力容器焊接规程》之规定。

如需外协热处理，外协方要提供资质、设备证明，热处理曲线及热处理记录，热电偶的校验记录等，热处理责任工程师签字审核。

2.2.2.8.3热处理资料准备好后交至质检科，由质检科统一归档后，交至资料室。

2.2.2.9热处理前、热处理过程中和热处理之后，检验员要按照《热处理工艺卡》、本标准和适用的GB150.1~GB150.4-2011及NB/T47015-2011规范进行检查并签字确认。

热处理工程师应编制包括每个部件的《热处理工艺卡》（见6.1《热处理工艺卡通用表格》）。

《热处理工艺卡》应明确热处理的详细要求。

热处理后应出具相应的《热处理报告》（见6.2《热处理报告通用表格》）。

《热处理报告通用表格》应附带相应的热处理记录曲线。

特殊设备需要编制《热处理加固防护措施评审措施及验证记录》（见6.3《热处理加固防护措施评审措施及验证记录》）。

2.2.3工程实例

河南丰利石化有限公司10万吨/年丙烯及联产芳烃工程同轴式沉降-再生器锥段热处理案例。

2.3改善材料力学性能热处理

2.3.1标准要求

压力容器或受压元件的制造单位进行改善材料力学性能的热处理，应根据设计文件要求所制定的热处理工艺进行。

制备母材热处理试件条件见GB150.4-2011中9.2.1.1。

管件的热处理：

采用冷加工成形的管件，成形后应进行消除应力的热处理；采用热加工成形的管件，对铬钼钢和不锈钢材料，应进行热处理；对碳素钢材料，其最终成形温度低于750℃时，应进行热处理；管件材料热处理方式见GB12459-2005表17要求。

2.3.2工程实例

供货板为正火或者正火+回火；不锈钢板为固溶状态均为改善材料力学性能热处理。

2.4焊前预热

焊前预热：

为了降低焊接冷却速度，减少淬硬倾向，选择在焊前加热到50℃~250℃之间，其对焊接影响区晶粒粗化影响较小，有利于焊缝中氢的析出。

2.4.1标准要求

2.4.1.1压力容器焊前预热及预热温度应根据母材交货状态、化学成分、力学性能、焊接性能、厚度及焊件的拘束程度等因素确定。

2.4.1.2焊接接头的预热温度除参照相关标准外，一般通过焊接性能试验确定。

实施的预热温度，还要考虑环境温度、结构拘束度等影响。

2.4.1.3常用钢材推荐的最低预热温度见NB/T47015-2011表4，当焊接两种不同类别的钢材组成的焊接接头时，预热温度应按要求高的钢材选用。

2.4.1.4碳钢和低合金钢的最高预热温度和道间温度不宜大于300℃，奥氏体不锈钢最高道间温度不宜大于150℃。

例如15CrMoR的预热温度≥150℃，并控制道间温度≤250℃；

2.4.1.5采取局部预热时，应防止局部应力过大。

2.4.1.6需要预热的焊件接头温度在整个焊接过程中应不低于预热温度。

2.4.1.7当用热加工法下料、开坡口、清根、开槽或施焊临时焊缝时，需考虑预热要求。

2.4.1.8应在加热面的背面测定温度，如做不到，应先移开加热源，待母材厚度方向上温度均匀后测定温度。

温度均匀化时间按每25mm母材厚度需2min比例确定。

测温点位置如图6所示：

a）当焊件焊缝处母材厚度小于或等于50mm时，A等于4倍母材厚度δs，且不超过50mm；

b）当焊件焊缝处母材厚度大于50mm时，A≥75mm。

图6测温点A的位置

2.4.2工程实例

Cr-Mo钢设备焊前均需预热。

2.5后热

2.5.1标准要求

后热：

由于冷裂纹存在潜伏期，在裂纹产生以前若及时进行加热处理，有利于防止冷裂纹的产生。

2.5.1.1对冷裂纹敏感性较大的低合金钢和拘束度较大的焊件（Cr-Mo钢）应采取后热措施。

2.5.1.2后热应在焊后立即进行。

2.5.1.3后热温度一般为200℃~350℃，保温时间与后热温度、焊缝金属厚度有关，一般不少于30min。

2.5.1.4若焊后立即进行热处理则可不进行后热。

2.5.2工程实例

Cr-Mo钢设备焊前均需后热。

2.6耐热钢热处理总结

耐热钢（15CrMoR（H），14Cr1MoR（H），15CrMoR，14Cr1MoR）：

上述钢种焊接接头，焊前应预热，控制预热温度≥150℃，并控制道间温度≤250℃，中间进行消除应力的热处理（保温温度650℃）或消氢处理（保温温度350℃）和最终热处理，最终热处理温度为690±14℃。

保温时间按NB/T47014-2011的规定，但不得低于2小时；

热处理过程中应控制炉内气氛，防止火焰直接烧到壳体表面上；

中间消除应力热处理和焊后热处理应在炉内进行；

局部热处理时，环向焊接接头每侧加热宽度不小于筒壁厚度的2倍，靠近加热区的部位应采取保温措施，使温度梯度不致影响材料的性能。

三、厂内热处理设备及工艺简介

3.1厂内热处理设备装置

热处理炉应配有自动记录温度曲线的测温仪表，并能自动绘制热处理的时间与工件壁温关系曲线。

3.1.1设备制造公司拥有5台带记录曲线的热处理炉：

燃油式热处理炉（杨凌）规格为：

L12m×W5.8m×H6.5m；燃油式热处理炉（靖边）规格为：

L24m×W9m×H9m；燃气式热处理炉（杨凌）：

L30m×W5.5m×H6.5m；管件车间台车式热处理炉L1.6m×W1.6m×H0.8m;管件车间箱式热处理炉L1.6m×W1.6m×H0.8m，

燃油式热处理炉（杨凌）示意图如图5：

图5：

燃油式热处理炉（杨凌）示意图

燃油式热处理炉1（杨凌）共布置6根热电偶，燃油式热处理炉2（靖边）布置24根热电偶，燃气式热处理炉（杨凌）布置24根热电偶。

筒体局部热处理时，应采用履带式电加热带进行热处理。

履带式电加热带规格有800mm×300mm；500mm×500mm两种。

3.2热处理设备标准要求

热处理温度以在焊件上直接测量为准；在经受热处理压力容器的典型受热部位、产品焊接时间和特殊部位（如靠近炉门口、进风口、火焰喷口、烟道口、壁厚突变处以及分段加热的接合部）；当炉内有多于一件受热处理焊件时，应在炉内顶部、中部和底部的焊件上设置。

均温带应覆盖焊缝，热影响区及相邻母材。

均温带应环绕包括返修焊缝在内的筒体全圆周；接管或附件与筒体焊缝局部热处理时，均温带应环绕包括接管或附件在内的筒体全圆周。

局部热处理时，电加热带外部应覆盖保温棉，规格为：

3000mm×600mm×50mm。

在可能的情况下，应优先采用炉内整体加热方法；当无法整体加热时，允许分段加热进行。

分段热处理时，其重复加热长度应不小于1500mm，且相邻部分应采取保温措施，使温度梯度不致影响材料的组织和性能。

局部热处理包括：

环焊缝焊后热处理、返修热处理、壳体或封头上施焊接管（或其他受压件）后热处理等。

3.3厂内热处理工艺简介

3.3.1焊后热处理工艺

焊后热处理作业应按照下列要求进行：

3.3.1.1焊后热处理温度应在容器或容器内的附件上测量。

3.3.1.2设备加热时，400℃以下可迅速加热，达到400℃时加热速度应不超过5500/δPWHT℃/h，且不得超过220℃/h，最小可为55℃/h，升温期间，加热区内任意长度为4600mm内温差不得大于120℃；保温期间，加热区内最高与最低温度之差不得大于80℃；在加热和保温期间应控制炉内气氛，避免容器表面过度氧化。

应防止火焰与设备壳体表面直接接触。

3.3.1.3设备降温期间，400℃以上时，应控制降温速度，不得超过7000/δPWHT℃/h,且不得超过260℃/h，最小可为55℃/h；设备出炉时，炉温不得高于400℃，出炉后应在静止空气中冷却；

3.3.1.4焊后热处理最低保温温度和时间见NB/T47015-2011表5，对于Fe-1和Fe-3类别的钢制母材，当不能按NB/T47015-2011表5规定的最低保温温度进行焊后热处理时，可按NB/T47015-2011表6的规定降低保温温度，延长保温时间。

3.3.1.5.奥氏体不锈钢复合钢板如需热处理，应以复合钢总厚度确定焊后热处理规范；除了覆层为06Cr13外，不锈钢复合钢制压力容器焊后热处理按基层材料要求进行。

覆层为堆焊金属的不锈钢复合钢制压力容器，如果基层需要焊后热处理，则应在堆焊覆层后再进行；对耐晶间腐蚀要求较高的设备，如果基层需要焊后热处理，则易在热处理后再焊覆层的盖面层。

3.3.2管件热处理

3.3.2.1碳钢、低合金钢热处理

3.3.2.1.1晶粒细化、组织均匀化，改善带状组织，消除3级以下的魏氏体组织，降低内应力，获得较好的机械性能。

3.3.2.1.2适用于10#、20#、20G、Q245R，Q345R等牌号。

3.3.2.1.3碳钢、低合金钢正火工艺曲线如下图所示：

图6碳钢、低合金钢正火工艺曲线

正火保温时间按2min/mm，且不小于30min，在5℃以上空气中静止冷却。

3.3.2.1.4低合金钢（Q345R等）正火+回火处理

正火按本节8.2.2.1.3要求，回火曲线如图所示：

图7低合金钢正火+回火曲线

回火加热应缓慢升温，升温一般以≤200℃/h进行，装炉温度在200℃以下，保温时间25mm/h。

3.3.2.2耐热钢热处理

3.3.2.2.1目的：

保证耐热钢的综合和高温机械性能、持久强度、消除应力，降低硬度。

适用于Cr-Mo-V类耐热钢的正火+回火处理。

3.3.2.2.2工艺规范如图3及表1所示：

正火：

高于Ac3临界点70~100℃；

回火：

低于Ac1临界点20~60℃。

图8耐热钢正火+回火热处理曲线

各牌号加热温度、恒温时间及冷却方式见下表：

表1耐热钢正火+回火热处理工艺表

钢号

热处理制度

参数℃

加热温度

恒温时间

冷却方式

Ac3

Ac1

12CrMo

900~930℃正火

1min/mm且≥0.5h

正火后空冷，回火后先炉冷，后空冷

880

720

670~710℃回火

1.5~2h

15CrMo

930~960℃正火

1min/mm且≥0.5h

845

745

680~720℃回火

1.5~2h

1Cr5Mo

880~900℃正火

1min/mm且≥0.5h

700~720℃回火

2~3h

12Cr1MoV

980~1020℃正火

1min/mm且≥0.5h

882~914

774~803

720~760℃回火

2.5~3h

12Cr2Mo

900~960℃正火

1min/mm且≥0.5h

900

790

700~750℃回火

2.5~3h

当12Cr1MoV管件壁厚32~42mm，且室温≥20℃时，应进行强制空冷；当壁厚≥45mm时，应进行调质处理，淬火温度950~990℃，油冷回火温度720~760℃，恒温2.5~3h，空冷。

四焊后热处理质量控制

4.1热处理前及热处理中质量控制

应使用下列工艺之一进行焊后热处理：

4.1.1当工艺实际可行时，应当优先采用在封闭炉内对容器进行整体热处理。

4.1.2采用任何适当的方法在容器内部加热，并用足够的温度指示和记录仪表，协助控制和维持容器器壁温度的均匀分布。

4.1.3接管或其它焊接连接件与筒体焊缝局部热处理时，可对其所在环带进行加热，使整个环带均匀升温、达到所要求的温度并保持规定的时间。

加热带应环绕整个容器，应把接管或焊接连接件也包括在内，均温带的最小宽度为焊缝最大宽度两侧各加δPWHT或50mm，取两者较小值，在返修焊缝端部方向上加δPWHT或50mm，取两者较小值。

加热带以外的容器部位应加以保温，以避免产生有害的温度梯度。

4.1.4当一次装炉对一件以上的压力容器或受压元件进行焊后热处理时，热电偶应置于容器或受压元件的底部、中部和顶部，或可能有温度变化的其他区域内，以使所得出的温度指示为那些区域所有容器或受压元件的真实温度。

4.1.5除规范允许的情况外，焊后热处理应在水压试验前、所有焊缝修补后进行。

允许在焊后热处理前进行预水压试验来发现泄漏。

4.2热处理后质量检查

压力容器焊后热处理的质量指标有多项，主要有硬度、变形两项，其它体现在表面质量方面有氧化、脱碳、烧伤，表面微裂纹等。

4.2.1硬度是焊后热处理的主要质量指标。

硬度是否测试根据设计及项目要求。

硬度测试分为在产品焊缝上直接测试和在试板上测试两种。

硬度检查作为焊件热处理后质量以及热处理工艺状况检验的重要手段，在工程中应用十分广泛。

硬度测量的方法很多，但应用于压力容器壳体或其它部件焊后热处理的硬度测量手段。

一般多采用布氏硬度法，主要是因为压力容器的壳体大多是选用轧制钢板制作的，表面相对粗糙，如选用洛氏硬度或维氏硬度检验时，误差会比较大。

硬度值在工艺规程中均规定有上限和下限的范围，然而，硬度值测量时，当某一试验点的数据明显异常时，一般允许在该点附近补测两点，但原异常数据应与补测数据同时记录，布氏硬度压痕中心距其相邻压痕中心的距离不应小于压痕直径的4倍。

对个别区域可能会超过硬度值的允许范围，所以，检查时不应仅将上述区域作为表面硬度的测量部位。

另外，当加热温度过高，冷却速度太快，在炉内热处理时出炉温度过高，保温时间不足时，均有可能出现硬度过高。

硬度值的允许偏差，应依据图样技术要求、工艺文件、有关标准或双方协议有关规定进行。

管件的硬度值应符合GB/T12450-2005《钢制对焊无缝管件》中表18的规定。

4.2.2热处理时导致焊接变形原因主要是由于加热速度过快产生较大的热应力所致。

严重时会导致焊缝开裂。

当然，也不排除压力容器在组装时由于拘束应