不锈钢复合板焊后热处理工艺研究

巢丽清

（江苏特种设备安全监督检验研究院无锡分院)

不锈钢复合板焊后热处理工艺研究

巢丽清*

（江苏特种设备安全监督检验研究院无锡分院)

不锈钢复合板的覆层与基层的热处理特性有较大差别。复合板的焊后热处理要求既保障基层的机械性能，同时又不降低覆层的耐晶间腐蚀性能，因此制定科学合理的复合板热处理工艺比较困难。通过对奥氏体不锈钢和低合金钢冶金现象及热处理工艺的分析，对S30408+Q345R不锈钢复合板制定了合理的热处理工艺。研究表明，经过热处理之后的不锈钢复合板能够满足相关标准的要求。

不锈钢复合板中温敏化热处理焊接冶金现象机械性能晶间腐蚀

0 前言

某工程项目中一台酯化反应釜，其技术特性参数如表1所示。该酯化反应釜主要用于生产化纤行业用的化纤原料颗粒，其内筒的封头为DHA 3300 mm×（18+3）mm碟形封头，材质为Q345R+304复合钢板，由两块宽度为2050 mm的复合板拼焊而成。该封头规格比较特殊，若采用热压需制备冲模，成本较大，因此其加工只能采用旋压冷成形的方法。冷成形封头会产生很大的内应力，且反应釜在运行时很容易产生腐蚀及冷裂纹。因此，用户特提出要对反应釜进行消除应力热处理。而封头标准GB/T 25198—2010《压力容器封头》第6.4.5.1款也规定：整板成形及先拼板后成形的钢制封头，应于冷成形后进行消除应力热处理。

1 奥氏体不锈钢的冶金现象

不锈钢复合板有奥氏体复合板、马氏体复合板及双相钢复合板，奥氏体复合板在压力容器行业应用最为广泛。奥氏体不锈钢金相组织类型及其所受到的热加工和机械加工是其耐晶间腐蚀、应力腐蚀性能和塑性、韧性的决定性因素。

表1 酯化反应釜设备技术参数

1.1 奥氏体不锈钢晶间腐蚀

当奥氏体不锈钢足够长时间地处于425～870℃之间的温度时，碳化铬便会在奥氏体晶粒的边界上优先沉淀析出，这种类型的沉淀析出被称之为中温敏化。经过中温敏化的材料暴露在腐蚀介质中，便会发生晶间腐蚀。

1.2 σ相脆化

σ相脆化是不锈钢在565～925℃温度范围内长时间形成的，σ相的存在明显降低了钢的塑性和韧性。促使σ相生成的因素主要包括如下几项：前期冷加工、高铬含量、钢材处于σ相转变区时的温度和时间等。

从NB/T 47015—2011《压力容器焊接规程》“表5焊后热处理推荐规范”中分析得知，低合金钢、碳素钢的热处理温度通常在580～660℃之间，正好处于425～870℃的中温敏化区和565～925℃的σ相形成的温度区区间内，如果按碳素钢与低合金钢的热处理规范进行热处理，极易使复合板中304覆层形成晶间腐蚀及σ相析出，从而损害产品的使用寿命。学术上对奥氏体不锈钢的焊后热处理有不同的看法，考虑到奥氏体不锈钢焊后热处理的实际效果，故有关技术规范将焊后热处理的强制性要求删除了[1]。

ASME规范规定，除非另有规定或采购方和制造厂之间另有商定外，所有奥氏体不锈钢复合板都应进行热处理，热处理包括将材料加热到适当的温度，使覆层中铬的碳化物固溶，然后单张板各自进行空冷[2]。

2 不锈钢复合板热处理工艺

通过以上分析可知，不锈钢复合钢板其基层与覆层的热处理特性有较大差别，热处理温度经常相互矛盾。碳素钢和低合金钢的焊后热处理为低温回火（中温），但此温度因覆层受敏化温度影响会使其抗晶间腐蚀的能力降低，而奥氏体不锈钢需要固溶或在稳定化温度下进行热处理（高温），否则就不能保证基层的机械性能和覆层的耐晶间腐蚀性能。

2.1 高温热处理工艺

既要保证复合板基层的力学性能，又要保证覆层的耐腐蚀能力，因此不锈钢复合板的加热温度既要高于复合板的敏化温度（425～870℃），又不能过高地超过基层的正火温度（900～950℃），故将不锈钢复合板封头DHA 3300 mm×（18+3）mm的热处理温度确定在920～950℃。加热前应清除覆层表面的油污和含碳物。为避免增硫和增碳，在中性气氛加热炉中加热，快速升温，升温速度≥200℃/h，均温后以2 min/mm进行保温。保温后将不锈钢复合板封头从炉内移出，用冷水或压缩空气对准覆层进行快速冷却。当温度降到425℃时，停止喷水或吹风，在静止空气中冷却。这样既保证了覆层的耐蚀能力，又对基层进行了消除应力处理并保证基层处于正火状态。该方法对加热炉的热处理能力及冷却设备要求较高。

2.2 中温热处理工艺

低合金钢与碳素钢消除应力热处理的加热温度在580～660℃之间，如果降低加热温度，则需通过延长保温时间来达到相同的热处理效果。降低焊后热处理温度、延长保温时间，其工艺应符合表2的规定。

表2 中温热处理工艺保温时间

如果焊后热处理温度过低，则对消除应力没有多大作用，仅仅起到后热缓冷及消氢处理的作用。本文提到的DHA 3300 mm×（18+3）mm的不锈钢复合板封头的热处理保温定在550℃，在中性气氛的加热炉中加热，快速升温，升温速度为200℃/h，均温后保温时间不低于（18/25）×60=43 min（参照NB/T 47015—2011中表5）。保温后不能随炉冷却，而应将封头从炉内移出，在静止空气中冷却至室温，这样就避开了中温敏化温度区，既保证了覆层的耐蚀能力，又对基层进行了消除应力处理。此方法对压力容器的冷成形封头进行消除应力以及整台设备进行焊后热处理均较适用[3]。

3 结语

不锈钢复合板的覆层与基层的热处理特性有较大差别。本文以不锈钢复合板中基层材料、覆层材料各自的热处理特性为出发点进行研究。通过分析碳素钢、低合金钢以及奥氏体不锈钢各自的热处理作用和冶金现象，制定了能减少基层材料内应力并减少覆层奥氏体不锈钢σ相脆化的高温热处理工艺和中温热处理工艺。根据企业热处理设备的能力，进一步研究了中温热处理问题并制定了合理的热处理工艺，有效避开了中温敏化温度区，从而既保证了覆层的耐蚀能力，又对基层进行了消除应力处理，满足了产品对材料性能的要求。实践表明，经过热处理之后的不锈钢复合板能够满足相关标准的要求。

[1]GB 150—2011压力容器[S].

[2]ASME锅炉及压力容器委员会材料分委员会.ASME-Ⅱ-A铁基材料[M].北京：中国石化出版社，2010.

[3]李业勤.钢制压力容器封头实用技术[M].北京:原子能出版社,1999.

Technological Research on Post-weld Heat Treatment of Stainless Steel Clad Plate

Chao Liqing

For stainless steel clad plate,the heat treatment properties of the cladding metal and the base material are quite different.The post weld heat treatment(PWHT)should ensure both the mechanical properties of the base and the intergranular corrosion resistance of the cladding layer,and it is difficult to propose an appropriate PWHT technology for the stainless steel clad plate.Based on the analysis of metallurgical phenomenon and heat treatment process of austenitic stainless steel and low-alloy steel,a reasonable PWHT technology for the stainless steel clad plate consisting of S30408 and Q345R was designed.The results showed that the comprehensive properties of the stainless steel clad plate after PHWT could meet the requirements of relevant standards.

Stainless steel clad plate;Middle temperature sensitization;Heat treatment;Welding; Metallurgical phenomenon;Mechanical property;Intergranular corrosion

TQ 050.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.013

2016-04-01)

*巢丽清，男，1981年生，工学硕士。无锡市，214023。