中美规范中对受压元件冷成形相关规定的浅析

李爱国,蒋 婷,林雅岚,桓建淼

(陕西化建工程有限责任公司,陕西 咸阳 712100)

金属的冷成形,通俗地说,就是不对坯料进行加热,在常温下进行的成形过程【1】。而从专业角度讲,则是金属在低于再结晶温度下进行的所有成形过程。低于再结晶温度下的温成形(一般是指低于下转变温度Ac1时的成形过程)也属于冷成形。

再结晶温度是指让变形程度>70%的金属在1 h时内恢复原始组织、完成再结晶过程的最低温度。再结晶温度≈0.4Tm,其中,Tm为金属的熔点,一般铁碳合金的熔点约为400～500 ℃。

冷成形是金属零件制造中常用的方式,因其成形过程方便、易操作,加工成本低,所以得到了广泛应用。然而金属材料经过冷变形,特别是变形率比较大的时候,金属的晶格会发生较大的位错、滑移及畸变,产生很大的内应力,俗称产生了加工硬化现象。有些金属(如奥氏体不锈钢及合金含量较高的低合金钢)甚至会产生有害组织(如形变马氏体),并产生等轴晶粒,引起材料强度及硬度升高、冲击韧性及塑性下降,给材料的力学性能及使用带来不良的影响,所以各国的压力容器及压力管道建造规范都对冷变形程度进行了限制,必要时需对成形后的零件进行退火或者恢复材料性能的热处理。

下面就中美两国压力容器及压力管道建造规范中关于材料冷变形的部分内容进行梳理,以方便技术人员在工程中灵活、准确地运用。

1 中美压力容器建造规范对冷成形零部件要求

1.1 ASME Ⅷ-1—2019《压力容器建造规则》中相关要求【2】

本款1)～7)按照材料分类UCS,UHA,UHT 分别对材料冷成形的要求进行了规定:

1) UG-79(a)对所有碳钢、低合金钢及采用热处理提高抗拉性能的非铁金属、高合金钢和铁素体钢进行冷加工时都有限制,详见UCS-79(d)、UHA-44(a)、UNF-79(a)和UHT-79(a)(1)。

2) UCS-79(d)中对于低碳及低合金钢封头和其他受压部件,除了要求由UCS-79(e)和以下所列材料制造外,当最大纤维伸长率>5%时,还要求进行热处理。

a) 当冷成形和弯曲的P-No.1材料的管子和管件名义厚度不超过19 mm时,不需要进行成形后的热处理。

b) 对于P-No.1组1和组2的材料,除了上述第1)条所述材料外,最大纤维伸长率超过40%或整体纤维伸长率超过5%且存在以下情况之一者,需要进行成形后热处理:

① 容器储存致死液体或气体,见UW-2;

② 根据ASMEⅧ-1—2019中的规则,材料不能免除冲击试验或材料标准要求做冲击试验的;

③ 冷成形之前零件名义厚度超过16 mm;

④ 冷成形后任何极限纤维伸长量超过5%的部位原轧制厚度减薄量超过10%;

⑤ 材料成形期间温度范围为120～480 ℃。

3) UCS-79(f)中要求,当碳钢和低合金钢的容器筒节、封头及其他受压部件,不是由容器制造厂进行的冷成形加工时,部件要求的证书上应显示部件是否按照UCS-79 要求进行了热处理。

4) UHA-44(a)中要求,对高合金钢除符合UHA-40 对成形的通用要求外,还应符合下述规则。

如果存在以下情况,以奥氏体合金钢制造的受压元件的冷成形区应进行固溶处理,要求在表UHA-44 给定温度下加热,保温时长20 min/25 mm,随后进行快速冷却:

a) 最终成形温度低于表UHA-44 给定的最低热处理温度;

b) 设计金属温度和成形应变超过表UHA-44 限制。

5) UHA-44(b)中要求,当成形应变不能按UG-79-1的公式计算时,制造厂有责任确定最大的成形应变。对于进行扩口、缩口或者墩粗加工的元件,不管应变量大小,都应该按照表UHA-44 进行成形后热处理。

6) UHT-79(a)要求,对经热处理提高抗拉强度的钢材,热处理后,在低于最后回火温度下成形的工件,如最大纤维伸长率超过5%,则应按照UHT-56再次进行热处理。

7) UHT-79(b)要求,在等于或高于原回火温度下成形的工件,应在与容器焊接之前或者之后,按材料标准要求的热处理规定再对其重新进行热处理。

1.2 GB/T 150—2011 《压力容器》中相关要求【3】

GB/T 150.4—2011(以下简称GB 150.4)第8.1.1条规定,钢板冷变形受压元件,当符合下述1)～5)中任一条件、且变形率超过表4范围时,应于成形后进行相应热处理恢复材料性能:

1) 盛装毒性为极度或者高度危害介质的容器;

2) 图样注明有应力腐蚀的容器;

3) 对碳钢、低合金钢,成形前厚度>16 mm者;

4) 对碳钢、低合金钢,成形后减薄率>10%;

5) 对碳钢、低合金钢,材料要求做冲击试验的。

1.3 GB/T 151—2014《热交换器》中相关要求【4】

GB/T 151—2014第8.10.3 规定,有耐应力腐蚀或要求消除残余应力要求时,应对冷成形后的碳素钢及低合金钢U形管弯管段及至少150 mm 的直管段进行热处理。其他材料U形管弯管段的热处理由供需双方协商。

1.4 HG/T 20584—2020《钢制化工容器制造技术规范》中相关要求【5】

HG/T 20584—2020中要求,凡符合下列条件之一者应在成形后进行热处理。

1) 冷成形或温成形的奥氏体不锈钢圆筒变形率≥15%,碳素钢、低合金钢及其他金属圆筒变形率≥5%者,或钢板厚度符合下列条件者:

a) 碳素钢、Q345R钢板厚度不小于圆筒直径3%;

b) 其他低合金钢板厚度不小于圆筒直径2.5%;

c) 奥氏体不锈钢钢板厚度不小于圆筒直径15%。

2) 凡符合下列条件之一的封头应进行热处理:

a) 碳素钢、低合金钢冷成形封头;

b) 冷成形的奥氏体不锈钢封头变形率超过15%。

3) 钢管冷弯后变形率超出下列范围时:

a) 碳素钢、低合金钢冷成形后的弯管外层纤维变形率不应超过材料标准规定的伸长率的50%或剩余伸长率<10%;

b) 奥氏体不锈钢冷成形后的弯管外层纤维变形率不应超过材料标准规定的伸长率的50%或剩余伸长率<15%;

c) 有冲击要求的钢管,其外层纤维最大变形率应<5%。

2 标准规范条文对比及浅析

标准规范中从以下几个方面对材料变形方面提出了要求:

1) 按照材料的类型,如碳素钢、低合金钢、奥氏体不锈钢及经拉伸提高性能的钢材,分别提出不同的要求。

2) 低碳钢及低合金钢材料成形过程按其原材料的最终热处理温度作为界限。如进行超过其温度的热过程,则必须重新进行材料出厂时的热处理;在低于原材料的最终热处理温度下进行的热过程或者冷变形,则要求同时满足一定的条件下才须进行热处理,如材料厚度、变形率、减薄率超标,是否要求进行冲击试验,容器是否要承受应力腐蚀及其他腐蚀工况,介质是否有致死性、是否为极度或高度危害等。

3) 中美标准对于超过限定条件的冷成形后的热处理,要求不尽相同。GB/T 150—2011要求低碳钢和低合金钢必须进行恢复材料性能热处理,即要求材料冷成形后所进行的热处理需与原材料出厂时的热处理规范相同或者相当,并附带母材验证试件。而ASME Ⅷ-1—2019并未要求材料冷成形后进行与原材料出厂时相同的热处理,而是按照UCS-56(焊后热处理)执行,因其未超过下转变温度Ac1,故而也无需母材验证试件。

4) 计算变形率时,筒体和封头按照中径进行计算,弯制钢管则以外径进行计算。

5) 规范对于低碳钢和低合金钢的冷变形率大都要求控制在5%,但也有例外,如HG/T 20584—2020第6.2.1中要求的控制厚径比。举例来说,该规范要求Q345R 圆筒厚径比不能超过3%,按照GB 150.4给出的公式换算后,即变形率不超过2.91%,这个要求是比较严格的。如果设计图上引用了这个规范,那么厚度超过16 mm的DN500以上的人孔或者大直径卷制管材,就需要进行恢复性能热处理了。

3 中美压力管道规范中对冷成形零件要求

3.1 ASME B31.3—2012 《工艺管道》相关要求【6】

ASME B31.3—2012第332.4.2条要求冷弯及冷成形后,当存在下列任一种情况时均需要按照第331.1.1条进行需要的热处理(包括所有厚度):

1) 对于P-No.1～6 的材料,弯曲或成形后最大计算纤维延伸率(在最大变形方向)超过该材料相应标准中规定的最小延伸率的50%。但若可以证明所选用管子的弯曲或成形方式能够保证在弯曲或者成形后仍保留了至少10%的延伸率,就不需要再进行热处理。

2) 任何要求冲击试验的材料,弯曲或者成形后其最大纤维延伸率超过5%者。

3) 工程设计条件规定的。

3.2 GB/T 20801.4—2020《工业管道》相关要求【7】

GB/T 20801.4—2020第9.2.1条规定,管道制作采用冷弯或者冷成形时,符合下列情况之一应按表7规定进行热处理:

1) 对碳钢、碳锰钢、铬钼合金钢、马氏体不锈钢材料,冷弯或冷成形后成形变形率(在最大变形方向)超过该材料标准所规定的最小延伸率的50%时应进行热处理。但若可以证明所选用的管子和弯曲或成形的方法能够保证在冷弯或冷成形后应变最大的材料仍保持至少10%的延伸率,则可以不进行热处理。

2) 任何要求进行低于0 ℃低温冲击试验的材料,弯曲或成形后其应变率超过5%的。

3) 设计文件规定时。

由此可以看出,我国的工艺管道标准和ASME B31.3 要求非常接近,无需赘述。

4 冷加工程度在特殊工况下的进一步限制及硬度检测的应用

4.1 在低温工况下及剧烈氢腐蚀环境下对使用材料的冷变形的要求【8】

1) HG/T 20585—2020《钢制低温压力容器技术规范》中第6.3.2规定:

a) 含镍量<1.5% 的低合金钢冷加工变形率不能>2%(钢板)及5%(钢管)。

b) 含镍量≥1.5% 的合金钢,加工变形率应≤5%;当变形率>2%时,增加时效冲击试验的要求。

c) 奥氏体不锈钢冷加工变形率应≤10%。

2) HG/T 20585—2020第6.3.7规定:设计温度低于-70℃的奥氏体不锈钢凸形封头,当介质氢分压>0.6 MPa并采用冷加工成形时,成形后应进行固溶处理。

3) HG/T 20584—2020《钢制化工容器制造技术规范》中第6.2.1第4款规定:当奥氏体不锈钢材料用于无耐腐蚀要求工况时,冷作后可不做热处理;当有耐腐蚀要求时,成形后表面硬度>235 HBW 时应进行固溶处理【5】。

4.2 在硫化氢应力腐蚀工况下规范对材料的要求

4.2.1 HG/T 20581—2020中相关要求【9】

第Ⅰ类湿硫化氢环境要求Fe-1 类材料硬度不高于200 HBW; 在液氨环境下要求最为严格, 低碳钢和低合金钢必须采用≤185 HBW 焊接工艺进行焊接, 母材当然也需要满足这个硬度要求。这些工况下一般都要求设备进行消除应力热处理(当冷成形的变形率<2%时可以不进行热处理;介于2%～5%之间时,需要进行消除应力热处理;>5%则需要进行恢复材料性能热处理)。

虽然在湿硫化氢环境下工作的容器一般都有焊后热处理要求,但其原材料出厂及冷成形的元件成形后的硬度也不能超标太多,制造单位应充分考虑成形方式对硬度的影响,否则即使设备进行了焊后热处理,材料硬度也可能超出表6.8.2中的硬度限制范围及其他条款要求的相应硬度限制范围。

4.2.2 SY/T 0599—2018【10】中相关要求

以下根据材料种类、材料标准和牌号对材料冷成形的要求做了规定:

1) 碳钢和低合金钢经冷轧、冷锻或其他制造工艺进行任何冷变形后,导致表面纤维性永久变形量>5%时,不论硬度多少均应作消除应力热处理。消除应力热处理温度不应低于595 ℃,热处理后的硬度应≤22 HRC。

2) GB/T 3087—2018、GB/T 6479—2013、GB/T 5310—2017的20号钢、20G以及API Spec 5L XG 42—2018、GB/T 9711.3—2017的L290钢管或化学成分类似的低强度钢管,当冷变形量≤15%、变形区硬度≤190HB时,可不作消除应力热处理。

3) 不应使用经冷加工强化力学性能的奥氏体不锈钢;奥氏体不锈钢部件产生永久冷变形后,均应进行热处理,热处理后硬度应≤22 HRC。

4) 只有满足ISO或API的生产标准规定的工艺条件时,才允许采用冷旋转矫直钢管。如果管子及其管件在≤510 ℃下进行冷矫直,应在最低温度480 ℃条件下进行消除应力处理。

4.2.3 NACE MR 0175—2015【11】中相关要求

以下根据材料种类、材料标准和牌号对材料冷成形的要求做了规定:

1) A2.1.6条规定,碳钢和低合金钢经冷变形后,导致表面纤维永久变形量>5%时,应进行消除应力热处理,热处理按适当的规范和标准进行,最低保温时间为595 ℃。最终要求的最大硬度为22 HRC,但按ASTM 234的WPB 和WPC 级别制造的管件除外,其硬度值不应超过197 HBW。只有在适当的产品标准许可的情况下,才允许冷旋转校直钢管(见A2.2.3.4条)。

2) ASTM A53B、ASTM A106B、 API 5LX-42、ISO 3183 L290 或化学成分类似的较低屈服强度钢级的冷成形管件,其变形区域硬度不超过190 HBW, 允许的冷变形量≤15%。

3) 根据附录B进行的SSC(硫化物应力开裂)试验和评定可以用于判定其他冷变形限制量。

由此节可以看出,对于在低温、腐蚀工况下进行冷作或者冷变形加工的材料,不但有变形率的要求,还增加了冷变形后表面硬度值的要求,提高了可操作性,以便确保材料的性能及残余应力在可控范围内。

5 其他相关受压元件制造标准中对冷变形材料的要求

5.1 GB/T 25198—2010《压力容器封头》中对冷成形封头的要求【12】

5.1.1 第6.4.5.1条

整板成形及先拼板后成形的碳钢和低合金钢制半球形、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。除图样另有规定外,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。

5.1.2 第6.4.5.2～6.4.5.5条

对铝镁合金、钛、铜合金及镍基合金制造的封头的冷变形率都进行了限制,若超出范围,也都要求进行相应的热处理。

5.2 GB/T 13401—2017《钢制对焊管件技术规范》中相关要求【13】

5.2.1 第6.1条

不论热成形还是冷成形,成形后的管件都要按照表2对应的热处理要求进行热处理(第6.3、6.5、6.6 条对于碳素钢热成形的几种情况,在特定加热范围或满足限定终轧温度的条件下免除了热处理要求)。

5.2.2 第7.1.4 条

对管件的硬度试验提出了要求,即无论有没有进行过热处理都要求进行硬度试验,其中合金钢应逐件进行,其他类型材料应按热处理批进行抽检,且每批≥2件。

由此节可以看出,该规范要求的热处理是零件制造过程中的热处理,与设备最终进行的热处理要有所区分,但有些是可以合并的,如碳钢、低合金钢封头冷成形后要求的热处理,如果变形率不超过5%,是可以和设备的最终热处理一起进行的。

6 影响金属塑性因素的进一步分析【1】

6.1 金属组织对金属塑性的影响

不同的金属晶体结构,塑性不同;纯金属和合金比较,一般纯金属塑性较好,单相合金和多相合金比较,一般是单相合金塑性好一些。

6.2 变形速率的影响

一般冷变形过程中,软化过程不明显,当应变速率提高到足够大的程度时,由于变形温度显著升高,可能使金属发生了一些回复现象,因而提高了塑性及变形的能力,对变形是有利的。

6.3 晶格形式对硬化速度的影响

体心立方晶体金属的硬化速度大体相同,其比面心立方金属的硬化效果要差;而同为面心立方晶体的金属,各金属的硬化速率差别却比较大。

6.4 晶粒度粗细对材料硬度的影响

因金属晶格的晶界对滑移起了阻碍强化作用,使其在晶界处难以变形,塑性变形从一个晶粒传递到另一个晶粒,因为有晶界的阻碍,故而需要施加更大的力才能使其发生变形,又因细晶粒组织材料中晶界所占比例大于粗晶粒组织材料,所以变形后细晶粒组织金属的硬度普遍高于粗晶粒组织金属。

7 结语

综合上述分析可知,由于冷加工会使金属材料微观组织发生改变,导致内部应力增加、塑性下降,甚至可能出现有害的形变组织,加之变形率对冷加工是非常重要的影响因素,而硬度是金属材料表观塑性的直观测量方法,所以规范中对金属材料的变形率及成形后的硬度作了详细而具体的规定,以控制材料的冷变形程度。技术人员在实际工作中应严格遵守规范规定,以保证受压元件成形后的材料性能,以满足工程上的需要。