李愛國,蔣 婷,林雅嵐,桓建淼

(陜西化建工程有限責(zé)任公司,陜西 咸陽 712100)

金屬的冷成形,通俗地說,就是不對坯料進(jìn)行加熱,在常溫下進(jìn)行的成形過程【1】。而從專業(yè)角度講,則是金屬在低于再結(jié)晶溫度下進(jìn)行的所有成形過程。低于再結(jié)晶溫度下的溫成形(一般是指低于下轉(zhuǎn)變溫度Ac1時(shí)的成形過程)也屬于冷成形。

再結(jié)晶溫度是指讓變形程度>70%的金屬在1 h時(shí)內(nèi)恢復(fù)原始組織、完成再結(jié)晶過程的最低溫度。再結(jié)晶溫度≈0.4Tm,其中,Tm為金屬的熔點(diǎn),一般鐵碳合金的熔點(diǎn)約為400～500 ℃。

冷成形是金屬零件制造中常用的方式,因其成形過程方便、易操作,加工成本低,所以得到了廣泛應(yīng)用。然而金屬材料經(jīng)過冷變形,特別是變形率比較大的時(shí)候,金屬的晶格會發(fā)生較大的位錯(cuò)、滑移及畸變,產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力,俗稱產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象。有些金屬(如奧氏體不銹鋼及合金含量較高的低合金鋼)甚至?xí)a(chǎn)生有害組織(如形變馬氏體),并產(chǎn)生等軸晶粒,引起材料強(qiáng)度及硬度升高、沖擊韌性及塑性下降,給材料的力學(xué)性能及使用帶來不良的影響,所以各國的壓力容器及壓力管道建造規(guī)范都對冷變形程度進(jìn)行了限制,必要時(shí)需對成形后的零件進(jìn)行退火或者恢復(fù)材料性能的熱處理。

下面就中美兩國壓力容器及壓力管道建造規(guī)范中關(guān)于材料冷變形的部分內(nèi)容進(jìn)行梳理,以方便技術(shù)人員在工程中靈活、準(zhǔn)確地運(yùn)用。

1 中美壓力容器建造規(guī)范對冷成形零部件要求

1.1 ASME Ⅷ-1—2019《壓力容器建造規(guī)則》中相關(guān)要求【2】

本款1)～7)按照材料分類UCS,UHA,UHT 分別對材料冷成形的要求進(jìn)行了規(guī)定:

1) UG-79(a)對所有碳鋼、低合金鋼及采用熱處理提高抗拉性能的非鐵金屬、高合金鋼和鐵素體鋼進(jìn)行冷加工時(shí)都有限制,詳見UCS-79(d)、UHA-44(a)、UNF-79(a)和UHT-79(a)(1)。

2) UCS-79(d)中對于低碳及低合金鋼封頭和其他受壓部件,除了要求由UCS-79(e)和以下所列材料制造外,當(dāng)最大纖維伸長率>5%時(shí),還要求進(jìn)行熱處理。

a) 當(dāng)冷成形和彎曲的P-No.1材料的管子和管件名義厚度不超過19 mm時(shí),不需要進(jìn)行成形后的熱處理。

b) 對于P-No.1組1和組2的材料,除了上述第1)條所述材料外,最大纖維伸長率超過40%或整體纖維伸長率超過5%且存在以下情況之一者,需要進(jìn)行成形后熱處理:

① 容器儲存致死液體或氣體,見UW-2;

② 根據(jù)ASMEⅧ-1—2019中的規(guī)則,材料不能免除沖擊試驗(yàn)或材料標(biāo)準(zhǔn)要求做沖擊試驗(yàn)的;

③ 冷成形之前零件名義厚度超過16 mm;

④ 冷成形后任何極限纖維伸長量超過5%的部位原軋制厚度減薄量超過10%;

⑤ 材料成形期間溫度范圍為120～480 ℃。

3) UCS-79(f)中要求,當(dāng)碳鋼和低合金鋼的容器筒節(jié)、封頭及其他受壓部件,不是由容器制造廠進(jìn)行的冷成形加工時(shí),部件要求的證書上應(yīng)顯示部件是否按照UCS-79 要求進(jìn)行了熱處理。

4) UHA-44(a)中要求,對高合金鋼除符合UHA-40 對成形的通用要求外,還應(yīng)符合下述規(guī)則。

如果存在以下情況,以奧氏體合金鋼制造的受壓元件的冷成形區(qū)應(yīng)進(jìn)行固溶處理,要求在表UHA-44 給定溫度下加熱,保溫時(shí)長20 min/25 mm,隨后進(jìn)行快速冷卻:

a) 最終成形溫度低于表UHA-44 給定的最低熱處理溫度;

b) 設(shè)計(jì)金屬溫度和成形應(yīng)變超過表UHA-44 限制。

5) UHA-44(b)中要求,當(dāng)成形應(yīng)變不能按UG-79-1的公式計(jì)算時(shí),制造廠有責(zé)任確定最大的成形應(yīng)變。對于進(jìn)行擴(kuò)口、縮口或者墩粗加工的元件,不管應(yīng)變量大小,都應(yīng)該按照表UHA-44 進(jìn)行成形后熱處理。

6) UHT-79(a)要求,對經(jīng)熱處理提高抗拉強(qiáng)度的鋼材,熱處理后,在低于最后回火溫度下成形的工件,如最大纖維伸長率超過5%,則應(yīng)按照UHT-56再次進(jìn)行熱處理。

7) UHT-79(b)要求,在等于或高于原回火溫度下成形的工件,應(yīng)在與容器焊接之前或者之后,按材料標(biāo)準(zhǔn)要求的熱處理規(guī)定再對其重新進(jìn)行熱處理。

1.2 GB/T 150—2011 《壓力容器》中相關(guān)要求【3】

GB/T 150.4—2011(以下簡稱GB 150.4)第8.1.1條規(guī)定,鋼板冷變形受壓元件,當(dāng)符合下述1)～5)中任一條件、且變形率超過表4范圍時(shí),應(yīng)于成形后進(jìn)行相應(yīng)熱處理恢復(fù)材料性能:

1) 盛裝毒性為極度或者高度危害介質(zhì)的容器;

2) 圖樣注明有應(yīng)力腐蝕的容器;

3) 對碳鋼、低合金鋼,成形前厚度>16 mm者;

4) 對碳鋼、低合金鋼,成形后減薄率>10%;

5) 對碳鋼、低合金鋼,材料要求做沖擊試驗(yàn)的。

1.3 GB/T 151—2014《熱交換器》中相關(guān)要求【4】

GB/T 151—2014第8.10.3 規(guī)定,有耐應(yīng)力腐蝕或要求消除殘余應(yīng)力要求時(shí),應(yīng)對冷成形后的碳素鋼及低合金鋼U形管彎管段及至少150 mm 的直管段進(jìn)行熱處理。其他材料U形管彎管段的熱處理由供需雙方協(xié)商。

1.4 HG/T 20584—2020《鋼制化工容器制造技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)要求【5】

HG/T 20584—2020中要求,凡符合下列條件之一者應(yīng)在成形后進(jìn)行熱處理。

1) 冷成形或溫成形的奧氏體不銹鋼圓筒變形率≥15%,碳素鋼、低合金鋼及其他金屬圓筒變形率≥5%者,或鋼板厚度符合下列條件者:

a) 碳素鋼、Q345R鋼板厚度不小于圓筒直徑3%;

b) 其他低合金鋼板厚度不小于圓筒直徑2.5%;

c) 奧氏體不銹鋼鋼板厚度不小于圓筒直徑15%。

2) 凡符合下列條件之一的封頭應(yīng)進(jìn)行熱處理:

a) 碳素鋼、低合金鋼冷成形封頭;

b) 冷成形的奧氏體不銹鋼封頭變形率超過15%。

3) 鋼管冷彎后變形率超出下列范圍時(shí):

a) 碳素鋼、低合金鋼冷成形后的彎管外層纖維變形率不應(yīng)超過材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的伸長率的50%或剩余伸長率<10%;

b) 奧氏體不銹鋼冷成形后的彎管外層纖維變形率不應(yīng)超過材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的伸長率的50%或剩余伸長率<15%;

c) 有沖擊要求的鋼管,其外層纖維最大變形率應(yīng)<5%。

2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范條文對比及淺析

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中從以下幾個(gè)方面對材料變形方面提出了要求:

1) 按照材料的類型,如碳素鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼及經(jīng)拉伸提高性能的鋼材,分別提出不同的要求。

2) 低碳鋼及低合金鋼材料成形過程按其原材料的最終熱處理溫度作為界限。如進(jìn)行超過其溫度的熱過程,則必須重新進(jìn)行材料出廠時(shí)的熱處理;在低于原材料的最終熱處理溫度下進(jìn)行的熱過程或者冷變形,則要求同時(shí)滿足一定的條件下才須進(jìn)行熱處理,如材料厚度、變形率、減薄率超標(biāo),是否要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn),容器是否要承受應(yīng)力腐蝕及其他腐蝕工況,介質(zhì)是否有致死性、是否為極度或高度危害等。

3) 中美標(biāo)準(zhǔn)對于超過限定條件的冷成形后的熱處理,要求不盡相同。GB/T 150—2011要求低碳鋼和低合金鋼必須進(jìn)行恢復(fù)材料性能熱處理,即要求材料冷成形后所進(jìn)行的熱處理需與原材料出廠時(shí)的熱處理規(guī)范相同或者相當(dāng),并附帶母材驗(yàn)證試件。而ASME Ⅷ-1—2019并未要求材料冷成形后進(jìn)行與原材料出廠時(shí)相同的熱處理,而是按照UCS-56(焊后熱處理)執(zhí)行,因其未超過下轉(zhuǎn)變溫度Ac1,故而也無需母材驗(yàn)證試件。

4) 計(jì)算變形率時(shí),筒體和封頭按照中徑進(jìn)行計(jì)算,彎制鋼管則以外徑進(jìn)行計(jì)算。

5) 規(guī)范對于低碳鋼和低合金鋼的冷變形率大都要求控制在5%,但也有例外,如HG/T 20584—2020第6.2.1中要求的控制厚徑比。舉例來說,該規(guī)范要求Q345R 圓筒厚徑比不能超過3%,按照GB 150.4給出的公式換算后,即變形率不超過2.91%,這個(gè)要求是比較嚴(yán)格的。如果設(shè)計(jì)圖上引用了這個(gè)規(guī)范,那么厚度超過16 mm的DN500以上的人孔或者大直徑卷制管材,就需要進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理了。

3 中美壓力管道規(guī)范中對冷成形零件要求

3.1 ASME B31.3—2012 《工藝管道》相關(guān)要求【6】

ASME B31.3—2012第332.4.2條要求冷彎及冷成形后,當(dāng)存在下列任一種情況時(shí)均需要按照第331.1.1條進(jìn)行需要的熱處理(包括所有厚度):

1) 對于P-No.1～6 的材料,彎曲或成形后最大計(jì)算纖維延伸率(在最大變形方向)超過該材料相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小延伸率的50%。但若可以證明所選用管子的彎曲或成形方式能夠保證在彎曲或者成形后仍保留了至少10%的延伸率,就不需要再進(jìn)行熱處理。

2) 任何要求沖擊試驗(yàn)的材料,彎曲或者成形后其最大纖維延伸率超過5%者。

3) 工程設(shè)計(jì)條件規(guī)定的。

3.2 GB/T 20801.4—2020《工業(yè)管道》相關(guān)要求【7】

GB/T 20801.4—2020第9.2.1條規(guī)定,管道制作采用冷彎或者冷成形時(shí),符合下列情況之一應(yīng)按表7規(guī)定進(jìn)行熱處理:

1) 對碳鋼、碳錳鋼、鉻鉬合金鋼、馬氏體不銹鋼材料,冷彎或冷成形后成形變形率(在最大變形方向)超過該材料標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最小延伸率的50%時(shí)應(yīng)進(jìn)行熱處理。但若可以證明所選用的管子和彎曲或成形的方法能夠保證在冷彎或冷成形后應(yīng)變最大的材料仍保持至少10%的延伸率,則可以不進(jìn)行熱處理。

2) 任何要求進(jìn)行低于0 ℃低溫沖擊試驗(yàn)的材料,彎曲或成形后其應(yīng)變率超過5%的。

3) 設(shè)計(jì)文件規(guī)定時(shí)。

由此可以看出,我國的工藝管道標(biāo)準(zhǔn)和ASME B31.3 要求非常接近,無需贅述。

4 冷加工程度在特殊工況下的進(jìn)一步限制及硬度檢測的應(yīng)用

4.1 在低溫工況下及劇烈氫腐蝕環(huán)境下對使用材料的冷變形的要求【8】

1) HG/T 20585—2020《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)范》中第6.3.2規(guī)定:

a) 含鎳量<1.5% 的低合金鋼冷加工變形率不能>2%(鋼板)及5%(鋼管)。

b) 含鎳量≥1.5% 的合金鋼,加工變形率應(yīng)≤5%;當(dāng)變形率>2%時(shí),增加時(shí)效沖擊試驗(yàn)的要求。

c) 奧氏體不銹鋼冷加工變形率應(yīng)≤10%。

2) HG/T 20585—2020第6.3.7規(guī)定:設(shè)計(jì)溫度低于-70℃的奧氏體不銹鋼凸形封頭,當(dāng)介質(zhì)氫分壓>0.6 MPa并采用冷加工成形時(shí),成形后應(yīng)進(jìn)行固溶處理。

3) HG/T 20584—2020《鋼制化工容器制造技術(shù)規(guī)范》中第6.2.1第4款規(guī)定:當(dāng)奧氏體不銹鋼材料用于無耐腐蝕要求工況時(shí),冷作后可不做熱處理;當(dāng)有耐腐蝕要求時(shí),成形后表面硬度>235 HBW 時(shí)應(yīng)進(jìn)行固溶處理【5】。

4.2 在硫化氫應(yīng)力腐蝕工況下規(guī)范對材料的要求

4.2.1 HG/T 20581—2020中相關(guān)要求【9】

第Ⅰ類濕硫化氫環(huán)境要求Fe-1 類材料硬度不高于200 HBW; 在液氨環(huán)境下要求最為嚴(yán)格, 低碳鋼和低合金鋼必須采用≤185 HBW 焊接工藝進(jìn)行焊接, 母材當(dāng)然也需要滿足這個(gè)硬度要求。這些工況下一般都要求設(shè)備進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理(當(dāng)冷成形的變形率<2%時(shí)可以不進(jìn)行熱處理;介于2%～5%之間時(shí),需要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理;>5%則需要進(jìn)行恢復(fù)材料性能熱處理)。

雖然在濕硫化氫環(huán)境下工作的容器一般都有焊后熱處理要求,但其原材料出廠及冷成形的元件成形后的硬度也不能超標(biāo)太多,制造單位應(yīng)充分考慮成形方式對硬度的影響,否則即使設(shè)備進(jìn)行了焊后熱處理,材料硬度也可能超出表6.8.2中的硬度限制范圍及其他條款要求的相應(yīng)硬度限制范圍。

4.2.2 SY/T 0599—2018【10】中相關(guān)要求

以下根據(jù)材料種類、材料標(biāo)準(zhǔn)和牌號對材料冷成形的要求做了規(guī)定:

1) 碳鋼和低合金鋼經(jīng)冷軋、冷鍛或其他制造工藝進(jìn)行任何冷變形后,導(dǎo)致表面纖維性永久變形量>5%時(shí),不論硬度多少均應(yīng)作消除應(yīng)力熱處理。消除應(yīng)力熱處理溫度不應(yīng)低于595 ℃,熱處理后的硬度應(yīng)≤22 HRC。

2) GB/T 3087—2018、GB/T 6479—2013、GB/T 5310—2017的20號鋼、20G以及API Spec 5L XG 42—2018、GB/T 9711.3—2017的L290鋼管或化學(xué)成分類似的低強(qiáng)度鋼管,當(dāng)冷變形量≤15%、變形區(qū)硬度≤190HB時(shí),可不作消除應(yīng)力熱處理。

3) 不應(yīng)使用經(jīng)冷加工強(qiáng)化力學(xué)性能的奧氏體不銹鋼;奧氏體不銹鋼部件產(chǎn)生永久冷變形后,均應(yīng)進(jìn)行熱處理,熱處理后硬度應(yīng)≤22 HRC。

4) 只有滿足ISO或API的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工藝條件時(shí),才允許采用冷旋轉(zhuǎn)矯直鋼管。如果管子及其管件在≤510 ℃下進(jìn)行冷矯直,應(yīng)在最低溫度480 ℃條件下進(jìn)行消除應(yīng)力處理。

4.2.3 NACE MR 0175—2015【11】中相關(guān)要求

以下根據(jù)材料種類、材料標(biāo)準(zhǔn)和牌號對材料冷成形的要求做了規(guī)定:

1) A2.1.6條規(guī)定,碳鋼和低合金鋼經(jīng)冷變形后,導(dǎo)致表面纖維永久變形量>5%時(shí),應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理,熱處理按適當(dāng)?shù)囊?guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,最低保溫時(shí)間為595 ℃。最終要求的最大硬度為22 HRC,但按ASTM 234的WPB 和WPC 級別制造的管件除外,其硬度值不應(yīng)超過197 HBW。只有在適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)許可的情況下,才允許冷旋轉(zhuǎn)校直鋼管(見A2.2.3.4條)。

2) ASTM A53B、ASTM A106B、 API 5LX-42、ISO 3183 L290 或化學(xué)成分類似的較低屈服強(qiáng)度鋼級的冷成形管件,其變形區(qū)域硬度不超過190 HBW, 允許的冷變形量≤15%。

3) 根據(jù)附錄B進(jìn)行的SSC(硫化物應(yīng)力開裂)試驗(yàn)和評定可以用于判定其他冷變形限制量。

由此節(jié)可以看出,對于在低溫、腐蝕工況下進(jìn)行冷作或者冷變形加工的材料,不但有變形率的要求,還增加了冷變形后表面硬度值的要求,提高了可操作性,以便確保材料的性能及殘余應(yīng)力在可控范圍內(nèi)。

5 其他相關(guān)受壓元件制造標(biāo)準(zhǔn)中對冷變形材料的要求

5.1 GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》中對冷成形封頭的要求【12】

5.1.1 第6.4.5.1條

整板成形及先拼板后成形的碳鋼和低合金鋼制半球形、橢圓形、碟形封頭以及平底形封頭,應(yīng)于冷成形后進(jìn)行熱處理。除圖樣另有規(guī)定外,冷成形的奧氏體不銹鋼制半球形、橢圓形、碟形封頭以及平底形封頭,成形后可不進(jìn)行熱處理。

5.1.2 第6.4.5.2～6.4.5.5條

對鋁鎂合金、鈦、銅合金及鎳基合金制造的封頭的冷變形率都進(jìn)行了限制,若超出范圍,也都要求進(jìn)行相應(yīng)的熱處理。

5.2 GB/T 13401—2017《鋼制對焊管件技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)要求【13】

5.2.1 第6.1條

不論熱成形還是冷成形,成形后的管件都要按照表2對應(yīng)的熱處理要求進(jìn)行熱處理(第6.3、6.5、6.6 條對于碳素鋼熱成形的幾種情況,在特定加熱范圍或滿足限定終軋溫度的條件下免除了熱處理要求)。

5.2.2 第7.1.4 條

對管件的硬度試驗(yàn)提出了要求,即無論有沒有進(jìn)行過熱處理都要求進(jìn)行硬度試驗(yàn),其中合金鋼應(yīng)逐件進(jìn)行,其他類型材料應(yīng)按熱處理批進(jìn)行抽檢,且每批≥2件。

由此節(jié)可以看出,該規(guī)范要求的熱處理是零件制造過程中的熱處理,與設(shè)備最終進(jìn)行的熱處理要有所區(qū)分,但有些是可以合并的,如碳鋼、低合金鋼封頭冷成形后要求的熱處理,如果變形率不超過5%,是可以和設(shè)備的最終熱處理一起進(jìn)行的。

6 影響金屬塑性因素的進(jìn)一步分析【1】

6.1 金屬組織對金屬塑性的影響

不同的金屬晶體結(jié)構(gòu),塑性不同;純金屬和合金比較,一般純金屬塑性較好,單相合金和多相合金比較,一般是單相合金塑性好一些。

6.2 變形速率的影響

一般冷變形過程中,軟化過程不明顯,當(dāng)應(yīng)變速率提高到足夠大的程度時(shí),由于變形溫度顯著升高,可能使金屬發(fā)生了一些回復(fù)現(xiàn)象,因而提高了塑性及變形的能力,對變形是有利的。

6.3 晶格形式對硬化速度的影響

體心立方晶體金屬的硬化速度大體相同,其比面心立方金屬的硬化效果要差;而同為面心立方晶體的金屬,各金屬的硬化速率差別卻比較大。

6.4 晶粒度粗細(xì)對材料硬度的影響

因金屬晶格的晶界對滑移起了阻礙強(qiáng)化作用,使其在晶界處難以變形,塑性變形從一個(gè)晶粒傳遞到另一個(gè)晶粒,因?yàn)橛芯Ы绲淖璧K,故而需要施加更大的力才能使其發(fā)生變形,又因細(xì)晶粒組織材料中晶界所占比例大于粗晶粒組織材料,所以變形后細(xì)晶粒組織金屬的硬度普遍高于粗晶粒組織金屬。

7 結(jié)語

綜合上述分析可知,由于冷加工會使金屬材料微觀組織發(fā)生改變,導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力增加、塑性下降,甚至可能出現(xiàn)有害的形變組織,加之變形率對冷加工是非常重要的影響因素,而硬度是金屬材料表觀塑性的直觀測量方法,所以規(guī)范中對金屬材料的變形率及成形后的硬度作了詳細(xì)而具體的規(guī)定,以控制材料的冷變形程度。技術(shù)人員在實(shí)際工作中應(yīng)嚴(yán)格遵守規(guī)范規(guī)定,以保證受壓元件成形后的材料性能,以滿足工程上的需要。