專利名稱：防止應力腐蝕裂紋的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到減少鋼制品中的應力腐蝕裂紋，特別涉及到在施工現(xiàn)場減少奧氏體不銹鋼管系中靠近焊縫地方的晶間應力腐蝕裂紋的一種改進的方法和設備。
在被焊接的奧氏體不銹鋼管的鋼制品上的應力腐蝕裂紋，特別是晶間應力腐蝕焊縫，很明顯是由于腐蝕環(huán)境的影響、由于焊接熱、合金元素的含量和其它冶金因素，以及在鄰近焊縫的地方存在殘余拉伸的原因而使鋼材敏感。
在鋼材中，尤其是用在核電站水管道中的奧氏體不銹鋼在靠近焊縫地方的晶間應力腐蝕裂紋，長期以來一直被認為是技術上的一個嚴重的問題，對于這一嚴重的問題已經提出了各種各樣的解決方案。例如早期的解決辦法是退火、采用延伸原來焊縫的跨接堆焊，同時在管內流過冷卻液的方法，例如哈尼曼(Hanneman)等人在美國專利4049186中所述的方法，以及通過感應或通過內部IR電阻加熱方法在管內產生一個同頻電流來迅速的局部加熱敏化區(qū)域，接著迅速的液體淬火，如Eguchi等人在美國專利4168190中所提出的方法。較新的見解是認為在核電站的奧氏體不銹鋼管上靠近焊縫的地方可能引起晶間應力腐蝕裂紋的原因是由于靠近焊縫的部位存在殘余拉伸應力。例如由Matssuda等人在美國專利4229235中所提出的在冷卻液流過管子的同時，通過裝在管子表面上空間內的一對電極元件之間流過的電流來加熱管子。Matsuda還指出，由于利用了這種熱量，通常管內壁上存在的殘余拉伸應力可以減少，而隨著“腐蝕疲勞”的減少可能轉變成殘余壓縮應力。更新的建議包括選擇感應加熱元件或者線圈的形狀，以便控制施熱區(qū)域上的溫度分布。使用焊接涂復層或者使電流流過位于一對外加電極中間的管子，這些都不是特別有效的辦法，至少部分地是由于本來就不能控制金屬內的溫度梯度和難于在施工現(xiàn)場焊接時把范圍僅控制在局部區(qū)域。在理論上引起注意的同時，實際上需要昂貴的和笨重的設備，例如特殊的高頻電源、阻抗匹配設備、用于感應線圈和電纜的冷卻介質以及相關的泵設備、細致的位置屏蔽，由于閥、三通、彎頭、架空管以及同類物的復雜幾何形狀需要為此專門設計部件，所有這些實際上使問題更加難以對付。
本發(fā)明從其廣義方面可簡要敘述為，在奧氏體和其它鋼制品中，例如在不銹鋼管中，當維持冷卻流通過其內表面的同時，由于外表面暴露在外部產生的輻射熱之下，使外表面迅速的增加溫度，通過很快產生的一個可控的通壁溫差，這樣在施工現(xiàn)場提出了一種減少晶間應力腐蝕裂紋的方法和設備。從狹義方面本發(fā)明的主要部分包括與被處理的區(qū)域外型一致的按標準形式設計的爐式的產生輻射熱的裝置，該裝置有很多高溫輻射熱線圈，這些產生輻射熱的線圈應與要處理的部份相一致，并且可以很容易地分別進行控制，以及與工件之間留有間隔。從更狹義的方面本發(fā)明包括可以有效的最大限度的將產生的熱量傳送到工件上的裝置和絕緣裝置。
本發(fā)明主要部份應用所帶來的優(yōu)點之一是顯著地改進了控制通壁溫度梯度的設計，可以取消專門為之設計的變壓器、電纜和有關的保護以及感應加熱設備所持有的控制設備。另一優(yōu)點包括可以取消冷卻水和輔助高頻發(fā)生設備，并且可有能使用一般的工業(yè)標準的電源、電纜和控制設備，從而簡化了設備，增加了靈活性。更進一步的優(yōu)點包括可以應用在各種各樣的管子上和具有復雜幾何外形的構件上，并且可以進行高度的選擇控制和輻射熱產生組件的位置控制，以便于有選擇地控制施加到各種工件區(qū)域上的熱量，使工件受到通過那里的理想的通壁溫差的作用，其結果可能對在管子或構件之間的焊縫兩邊需要不同的升溫速度的不同合金的元件之間焊縫進行處理。
本發(fā)明的目的是提供一種改進的被焊鋼件熱處理的方法和設備。
本發(fā)明的另一個目的是為核電站和類似地方使用的不銹鋼管提供一種現(xiàn)場施工中被焊接的部位減少晶間應力腐蝕裂紋的改進方法和設備。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點可以從本說明書的以下部分中和從附圖中很明顯地看出來。這些附圖是按著專利條款的規(guī)定并參照與本發(fā)明的原理相結合的熱處理設備實施例來說明的。


圖1 為應用本發(fā)明在核電站使用的不銹鋼管上的焊縫進行處理的示意剖面圖;
圖2 為一個理想的應力-應變圖，它表明隨著把遙控產生的輻射熱施加到有冷卻水流過的部位，繼之以連續(xù)的冷卻而在被焊管件上逐漸產生的應力變化情況;
圖3 為按照本發(fā)明原理把一個輻射能加熱元件應用到不銹鋼管焊接區(qū)域的示意斜視圖;
圖4 為圖2中剖線3-3的截面圖，它表明了按本發(fā)明原理的輻射加熱組件的分布情況;
圖5 為圖3中剖線4-4的剖面圖;
一個應力-應變分布曲線和隨著曲線OB在管子的內表面產生一個應力-應變分布曲線，具有這種特性的溫差能提供一個外壁溫度值，從而產生一個局部熱應力，它在外表面上超過了材料的壓縮屈服應力，而在管子的內表面上超過了材料的拉伸屈服應力，如點A和點B所示。當外部產生的輻射熱停止時，允許管子恢復到環(huán)境溫度，在內外表面上的應力是在管子的內表面上和外表面上有一個殘余的拉伸應力，在管子的內表面靠近焊縫的部位減少拉伸應力狀態(tài)并且最好把這種狀態(tài)轉變成殘余壓應力狀態(tài)，使得這些表面更耐金屬超應力引起的腐蝕和/或腐蝕疲勞，并且可以在這些部位減少晶間應力腐蝕裂紋。
正如前面指出的那樣，為了接納不同位置上的焊縫，在應用裝在與工件表面有一間隔的爐狀腔體里的輻射熱源時，允許外加熱元件構成不同形狀的標準模件。一個最寬的尋找焊縫的定位方法是在兩截管子中間，如圖1所表示的一樣?，F(xiàn)參照圖3至圖5，概括的用36代表一個組裝好的園柱殼形的加熱元件總成，它是由3個或者至少由兩個環(huán)塊40和42構成，該兩個環(huán)塊在兩節(jié)直的不銹鋼管斷面處的焊縫44的兩側延伸足夠長度。在圖4和圖5中清楚地表示出每個單個的園柱形環(huán)塊包括許多細長的非導電的陶瓷支承件50，在陶瓷支承件50上繞有耐熱導線52，導線52的末端連接到例如承受三相交流電源480伏的匯流條54上。借助套式絕緣件56，陶瓷支承件50的兩端被托起，并彼此保持一定的距離。支撐件50里面襯以發(fā)出輻射熱的反射壁58，反射壁58也適于選用高溫陶瓷材料。借助不銹鋼的骨架匯流條54總成，套式絕緣件56和反射壁58圍繞在支撐件50的三個面上。套式絕緣件56橫向加工成所需要的尺寸，通過陶瓷支撐件50與管子外表圖6至圖8為適合于各種不同工件表面形狀的輻射加熱組件的局部示意斜視圖;
圖9為所述類型加熱組件的電源控制系統(tǒng)的示意圖。
參照附圖并從圖1開始，本發(fā)明的改進方法和設備包括在施工現(xiàn)場照射一個焊件10和它兩邊的區(qū)域，正如虛線12所示。在一個爐樣的環(huán)境內，在不銹鋼管14兩斷面的接合處的部位，向外產生熱量16。這種向外產生的熱16是輻射源的重要的特征，它通過控制流過一個或多個選擇好尺寸的和/或形狀的電阻加熱導線18上的電流來產生熱。該電阻加熱導線與管子外部和焊接表面20之間有一個間距，而該表面20同時作用著流過管內壁表面32的冷卻液30。圍繞導線18裝有絕緣保護介質22形成的一個爐狀的腔室，該保護介質最好是陶瓷的，并且具有反射輻射熱的特性，該介質用于封閉所發(fā)出的熱量并改變發(fā)出熱量的方向，如箭頭24所示是朝向管子表面20反射的。這種具有熱絕緣和反射特性的保護介質22最好由剛性殼體26支承和承托著，該剛性殼體26在鄰近管子表面的部位具有邊緣側壁以便完成爐狀的包圍。
在區(qū)域12中，在冷卻液30不斷地流過管內部和靠近內壁32處的同時，將外部產生的熱量施加到管子外表面上，以便達到理想地產生適當特性的通壁溫差梯度的目的，該適當?shù)奶匦允侵赋浞莸匕l(fā)揮用熱的方法產生外壁可塑變形，產生一個比材料壓屈服應力大些的應力，并且在管子的內壁表面上產生一個比材料拉伸屈服應力大些的應力。這種現(xiàn)象描述在圖2的理想條件下，圖中拉伸和壓縮屈服應力分別由Tyl和Tyc表示。如圖中所示，管子外表面加熱到建立起適當大小的通壁溫差，隨著曲線OA在管子的外表面上產生面隔開一定的距離，如虛線62所示，以便在緊密的空間中放置耐熱導線52，套式絕緣件56在爐狀的外殼中也可以起到端壁的作用。如圖3所示，許多熱電偶70最好放置在管子斷面46和48的外表面上，以便連續(xù)地提供管子表面的實際溫度的溫度信息流，從而可以簡便的控制加熱速率，電纜線72將電能送至匯流條54而若干合適的電源變阻器(圖中沒示出)調節(jié)著提供到那里的電源功率。
圖6至圖8示意地表示出管截面上的熱焊幾何位置以及簡便地采用標準式的輻射加熱組件的情況。
例如圖6示意地表示一個由3個120°的斷面80所組成的園筒型的加熱組件。
圖7示意地表示出將圖6中所示型式的組件放置在其中一個焊縫82上的情況，該焊縫以普通三通連接形式將直管段84橫向連接到閥86上。圖8表示將一個園錐形加熱組件安裝在焊縫92上的情況，該焊縫92位于減壓器過渡管94和縮小直徑管96之間，在這種形式的組件裝配里，一組輻射熱的元件與減壓器部份94的表面平行間隔一定距離的排列著，而第二組熱元件與管96的外表面平行排列。
圖9示意地表示控制施加到工件110外表面上的熱速率系統(tǒng)。如圖中所示，熱電偶70不斷將代表工件表面溫度數(shù)據(jù)流輸送到工件計算機裝置100中，該計算機裝置100也不斷地從傳感器102那里接受流過工件內表面冷卻水的溫度數(shù)據(jù)，這些輸入計算機的數(shù)據(jù)與予先編入的代表在有限時間基礎上的予定溫度的數(shù)據(jù)值進行比較，其間的差值用來給電源控制裝置106提供一系列控制信號104，該控制裝置106用于調節(jié)外電源108施加到輻射熱元件52上的功率數(shù)值。
很明顯地可以看出上述標準模件結構不僅可以接納不同的工件外形，而且也為迅速的控制施加到工件和其一部份上的熱量提供了條件。這種公開的結構可以很容易地接納具有不同膨脹系數(shù)的金屬，此外還可以對每種合金提供足夠不同的通壁溫差和/或在靠近焊接區(qū)處提供足夠合適的管子縱向溫差?，F(xiàn)在可以明顯地看出，除了前面敘述的電阻絲以外，例如使用石英燈絲或其它高溫陶瓷或金屬-陶瓷混合物的高能燈管作為輻射熱元件，肯定也能使用在設備和處理區(qū)域上。
權利要求
1.一種在鋼件上靠近焊縫處的防止應力腐蝕裂紋的方法，其特征在于，使所述焊縫和靠近焊縫的工件區(qū)域的一個表面，在受到裝置在靠近該處的緊密空間里的外部熱源發(fā)射的輻射熱，一般易受到局部的壓應力；維持冷卻液流過所述焊縫和靠近焊縫的工件區(qū)域的第二表面，該表面一般易受到局部的拉應力；調節(jié)施加的輻射熱量和所述冷卻液的流量以便建立一個代表產生的局部熱應力特征的橫穿所述工件的溫差，該局部熱應力在所述第一表面和靠近它的區(qū)域超過了工件的壓縮屈服應力，而在所述第二表面和靠近它的區(qū)域超過了工件的拉伸屈服應力，和把所述的第一表面和靠近它的區(qū)域冷卻到環(huán)境溫度。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述鋼件是奧氏體鋼。
3.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述鋼件是不銹鋼的。
4.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述的輻射熱源被裝在一個爐子樣的外殼里，該外殼環(huán)繞著所述焊縫和靠近焊縫區(qū)域的所述表面。
5.一種在鋼管系統(tǒng)中靠近焊縫處的防止應力腐蝕的方法，其特征在于，在所述管內，維持冷卻液流過所述的焊縫;使所述焊縫和直接靠近焊縫的區(qū)域的外表面受到裝置在靠近該表面處緊密空間里的外部熱源發(fā)射的輻射熱;調節(jié)施加的輻射熱量和所述冷卻液的流量，以便建立一個代表產生的局部熱應力特征的橫穿所述工件的溫差，該局部熱應力在其外表面上超過管子的壓屈服應力，而在其內表面上超過了管子的拉伸屈服應力，和把暴露在這些輻射熱中的管子區(qū)域冷卻到環(huán)境溫度。
6.按照權利要求5所述的方法，其特征在于所述的鋼是不銹鋼。
7.按照權利要求5所述的方法，其特征在于所述的輻射熱源被裝在一個爐子樣的外殼里。
8.按照權利要求5所述的方法，其特征在于所述的熱源由借助流過的電流而加熱到白熾的電阻絲組成。
9.按照權利要求5所述的方法，其特征在于所述的輻射熱包括從所述熱源發(fā)出的直射和反射輻射熱。
10.一種防止在鋼件中靠近焊縫處的應力腐蝕裂紋的設備，其特征在于，一個裝置用于使所述焊縫和靠近焊縫的工件區(qū)域的一個表面，在受到該裝置位于靠近該處的緊密空間里的外部熱源發(fā)射的輻射熱時，一般容易受到局部壓應力;一個裝置用于維持冷卻液流過所述焊縫和靠近焊縫的工件區(qū)域的第二表面時，該表面一般容易受到局部拉應力;為了集中施加熱量而將輻射熱源和所述焊縫及靠近焊縫的工件區(qū)域的一個表面封閉起來的裝置。
11.按照權利要求10所述的設備，其特征在于，所述的輻射熱源由與工件外形配套的可組裝的模件組成，并且該熱源位于極靠近工件表面的空間里。
12.按照權利要求10所述的設備，其特征在于所述輻射熱源由絕緣件支撐的電阻絲組成。
13.按照權利要求10所述的設備，其特征在于所述的輻射熱源的封閉裝置包括輻射熱反射裝置和四周的外殼裝置，形成了一個爐樣的外殼，圍繞著工件的受輻射的區(qū)域。
14.按照權利要求10所述的設備，其特征在于還包括用于調節(jié)施加的熱量和冷卻液流量的裝置，以便建立一個理想的能代表產生的局部熱應力特征的橫穿所述工件的溫差，該局部熱應力在所述的第一表面和靠近它的區(qū)域上超過工件的壓屈服應力，而在所述的第二表面和靠近它的區(qū)域上超過工件的拉伸屈服應力。
15.按照權利要求10所述的設備，其特征在于所述工件是不銹鋼管，所述的一個表面是所述管子的外表面，所述第二表面是所述管子的內表面。
全文摘要
一種在鋼工件，例如在不銹鋼管中靠近焊縫的部位防止應力腐蝕裂紋的方法和設備。是通過用外部產生的輻射熱照射一個工件的表面，同時維持冷卻液流過其另一個表面，這樣產生可控制的通壁溫差。
文檔編號C21D9/08GK1055892SQ9010413
公開日1991年11月6日 申請日期1990年4月24日 優(yōu)先權日1990年4月24日
發(fā)明者托馬斯·M·巴勒, 戴維·桑切克 申請人:托馬斯·M·巴特勒, 戴維·桑切克