专利名称：防止应力腐蚀裂纹的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及到减少钢制品中的应力腐蚀裂纹，特别涉及到在施工现场减少奥氏体不锈钢管系中靠近焊缝地方的晶间应力腐蚀裂纹的一种改进的方法和设备。
在被焊接的奥氏体不锈钢管的钢制品上的应力腐蚀裂纹，特别是晶间应力腐蚀焊缝，很明显是由于腐蚀环境的影响、由于焊接热、合金元素的含量和其它冶金因素，以及在邻近焊缝的地方存在残余拉伸的原因而使钢材敏感。
在钢材中，尤其是用在核电站水管道中的奥氏体不锈钢在靠近焊缝地方的晶间应力腐蚀裂纹，长期以来一直被认为是技术上的一个严重的问题，对于这一严重的问题已经提出了各种各样的解决方案。例如早期的解决办法是退火、采用延伸原来焊缝的跨接堆焊，同时在管内流过冷却液的方法，例如哈尼曼(Hanneman)等人在美国专利4049186中所述的方法，以及通过感应或通过内部IR电阻加热方法在管内产生一个同频电流来迅速的局部加热敏化区域，接着迅速的液体淬火，如Eguchi等人在美国专利4168190中所提出的方法。较新的见解是认为在核电站的奥氏体不锈钢管上靠近焊缝的地方可能引起晶间应力腐蚀裂纹的原因是由于靠近焊缝的部位存在残余拉伸应力。例如由Matssuda等人在美国专利4229235中所提出的在冷却液流过管子的同时，通过装在管子表面上空间内的一对电极元件之间流过的电流来加热管子。Matsuda还指出，由于利用了这种热量，通常管内壁上存在的残余拉伸应力可以减少，而随着“腐蚀疲劳”的减少可能转变成残余压缩应力。更新的建议包括选择感应加热元件或者线圈的形状，以便控制施热区域上的温度分布。使用焊接涂复层或者使电流流过位于一对外加电极中间的管子，这些都不是特别有效的办法，至少部分地是由于本来就不能控制金属内的温度梯度和难于在施工现场焊接时把范围仅控制在局部区域。在理论上引起注意的同时，实际上需要昂贵的和笨重的设备，例如特殊的高频电源、阻抗匹配设备、用于感应线圈和电缆的冷却介质以及相关的泵设备、细致的位置屏蔽，由于阀、三通、弯头、架空管以及同类物的复杂几何形状需要为此专门设计部件，所有这些实际上使问题更加难以对付。
本发明从其广义方面可简要叙述为，在奥氏体和其它钢制品中，例如在不锈钢管中，当维持冷却流通过其内表面的同时，由于外表面暴露在外部产生的辐射热之下，使外表面迅速的增加温度，通过很快产生的一个可控的通壁温差，这样在施工现场提出了一种减少晶间应力腐蚀裂纹的方法和设备。从狭义方面本发明的主要部分包括与被处理的区域外型一致的按标准形式设计的炉式的产生辐射热的装置，该装置有很多高温辐射热线圈，这些产生辐射热的线圈应与要处理的部份相一致，并且可以很容易地分别进行控制，以及与工件之间留有间隔。从更狭义的方面本发明包括可以有效的最大限度的将产生的热量传送到工件上的装置和绝缘装置。
本发明主要部份应用所带来的优点之一是显著地改进了控制通壁温度梯度的设计，可以取消专门为之设计的变压器、电缆和有关的保护以及感应加热设备所持有的控制设备。另一优点包括可以取消冷却水和辅助高频发生设备，并且可有能使用一般的工业标准的电源、电缆和控制设备，从而简化了设备，增加了灵活性。更进一步的优点包括可以应用在各种各样的管子上和具有复杂几何外形的构件上，并且可以进行高度的选择控制和辐射热产生组件的位置控制，以便于有选择地控制施加到各种工件区域上的热量，使工件受到通过那里的理想的通壁温差的作用，其结果可能对在管子或构件之间的焊缝两边需要不同的升温速度的不同合金的元件之间焊缝进行处理。
本发明的目的是提供一种改进的被焊钢件热处理的方法和设备。
本发明的另一个目的是为核电站和类似地方使用的不锈钢管提供一种现场施工中被焊接的部位减少晶间应力腐蚀裂纹的改进方法和设备。
本发明的其它目的和优点可以从本说明书的以下部分中和从附图中很明显地看出来。这些附图是按着专利条款的规定并参照与本发明的原理相结合的热处理设备实施例来说明的。
图1 为应用本发明在核电站使用的不锈钢管上的焊缝进行处理的示意剖面图;
图2 为一个理想的应力-应变图，它表明随着把遥控产生的辐射热施加到有冷却水流过的部位，继之以连续的冷却而在被焊管件上逐渐产生的应力变化情况;
图3 为按照本发明原理把一个辐射能加热元件应用到不锈钢管焊接区域的示意斜视图;
图4 为图2中剖线3-3的截面图，它表明了按本发明原理的辐射加热组件的分布情况;
图5 为图3中剖线4-4的剖面图;
一个应力-应变分布曲线和随着曲线OB在管子的内表面产生一个应力-应变分布曲线，具有这种特性的温差能提供一个外壁温度值，从而产生一个局部热应力，它在外表面上超过了材料的压缩屈服应力，而在管子的内表面上超过了材料的拉伸屈服应力，如点A和点B所示。当外部产生的辐射热停止时，允许管子恢复到环境温度，在内外表面上的应力是在管子的内表面上和外表面上有一个残余的拉伸应力，在管子的内表面靠近焊缝的部位减少拉伸应力状态并且最好把这种状态转变成残余压应力状态，使得这些表面更耐金属超应力引起的腐蚀和/或腐蚀疲劳，并且可以在这些部位减少晶间应力腐蚀裂纹。
正如前面指出的那样，为了接纳不同位置上的焊缝，在应用装在与工件表面有一间隔的炉状腔体里的辐射热源时，允许外加热元件构成不同形状的标准模件。一个最宽的寻找焊缝的定位方法是在两截管子中间，如图1所表示的一样。现参照图3至图5，概括的用36代表一个组装好的园柱壳形的加热元件总成，它是由3个或者至少由两个环块40和42构成，该两个环块在两节直的不锈钢管断面处的焊缝44的两侧延伸足够长度。在图4和图5中清楚地表示出每个单个的园柱形环块包括许多细长的非导电的陶瓷支承件50，在陶瓷支承件50上绕有耐热导线52，导线52的末端连接到例如承受三相交流电源480伏的汇流条54上。借助套式绝缘件56，陶瓷支承件50的两端被托起，并彼此保持一定的距离。支撑件50里面衬以发出辐射热的反射壁58，反射壁58也适于选用高温陶瓷材料。借助不锈钢的骨架汇流条54总成，套式绝缘件56和反射壁58围绕在支撑件50的三个面上。套式绝缘件56横向加工成所需要的尺寸，通过陶瓷支撑件50与管子外表图6至图8为适合于各种不同工件表面形状的辐射加热组件的局部示意斜视图;
图9为所述类型加热组件的电源控制系统的示意图。
参照附图并从图1开始，本发明的改进方法和设备包括在施工现场照射一个焊件10和它两边的区域，正如虚线12所示。在一个炉样的环境内，在不锈钢管14两断面的接合处的部位，向外产生热量16。这种向外产生的热16是辐射源的重要的特征，它通过控制流过一个或多个选择好尺寸的和/或形状的电阻加热导线18上的电流来产生热。该电阻加热导线与管子外部和焊接表面20之间有一个间距，而该表面20同时作用着流过管内壁表面32的冷却液30。围绕导线18装有绝缘保护介质22形成的一个炉状的腔室，该保护介质最好是陶瓷的，并且具有反射辐射热的特性，该介质用于封闭所发出的热量并改变发出热量的方向，如箭头24所示是朝向管子表面20反射的。这种具有热绝缘和反射特性的保护介质22最好由刚性壳体26支承和承托着，该刚性壳体26在邻近管子表面的部位具有边缘侧壁以便完成炉状的包围。
在区域12中，在冷却液30不断地流过管内部和靠近内壁32处的同时，将外部产生的热量施加到管子外表面上，以便达到理想地产生适当特性的通壁温差梯度的目的，该适当的特性是指充份地发挥用热的方法产生外壁可塑变形，产生一个比材料压屈服应力大些的应力，并且在管子的内壁表面上产生一个比材料拉伸屈服应力大些的应力。这种现象描述在图2的理想条件下，图中拉伸和压缩屈服应力分别由Tyl和Tyc表示。如图中所示，管子外表面加热到建立起适当大小的通壁温差，随着曲线OA在管子的外表面上产生面隔开一定的距离，如虚线62所示，以便在紧密的空间中放置耐热导线52，套式绝缘件56在炉状的外壳中也可以起到端壁的作用。如图3所示，许多热电偶70最好放置在管子断面46和48的外表面上，以便连续地提供管子表面的实际温度的温度信息流，从而可以简便的控制加热速率，电缆线72将电能送至汇流条54而若干合适的电源变阻器(图中没示出)调节着提供到那里的电源功率。
图6至图8示意地表示出管截面上的热焊几何位置以及简便地采用标准式的辐射加热组件的情况。
例如图6示意地表示一个由3个120°的断面80所组成的园筒型的加热组件。
图7示意地表示出将图6中所示型式的组件放置在其中一个焊缝82上的情况，该焊缝以普通三通连接形式将直管段84横向连接到阀86上。图8表示将一个园锥形加热组件安装在焊缝92上的情况，该焊缝92位于减压器过渡管94和缩小直径管96之间，在这种形式的组件装配里，一组辐射热的元件与减压器部份94的表面平行间隔一定距离的排列着，而第二组热元件与管96的外表面平行排列。
图9示意地表示控制施加到工件110外表面上的热速率系统。如图中所示，热电偶70不断将代表工件表面温度数据流输送到工件计算机装置100中，该计算机装置100也不断地从传感器102那里接受流过工件内表面冷却水的温度数据，这些输入计算机的数据与予先编入的代表在有限时间基础上的予定温度的数据值进行比较，其间的差值用来给电源控制装置106提供一系列控制信号104，该控制装置106用于调节外电源108施加到辐射热元件52上的功率数值。
很明显地可以看出上述标准模件结构不仅可以接纳不同的工件外形，而且也为迅速的控制施加到工件和其一部份上的热量提供了条件。这种公开的结构可以很容易地接纳具有不同膨胀系数的金属，此外还可以对每种合金提供足够不同的通壁温差和/或在靠近焊接区处提供足够合适的管子纵向温差。现在可以明显地看出，除了前面叙述的电阻丝以外，例如使用石英灯丝或其它高温陶瓷或金属-陶瓷混合物的高能灯管作为辐射热元件，肯定也能使用在设备和处理区域上。
权利要求
1.一种在钢件上靠近焊缝处的防止应力腐蚀裂纹的方法，其特征在于，使所述焊缝和靠近焊缝的工件区域的一个表面，在受到装置在靠近该处的紧密空间里的外部热源发射的辐射热，一般易受到局部的压应力；维持冷却液流过所述焊缝和靠近焊缝的工件区域的第二表面，该表面一般易受到局部的拉应力；调节施加的辐射热量和所述冷却液的流量以便建立一个代表产生的局部热应力特征的横穿所述工件的温差，该局部热应力在所述第一表面和靠近它的区域超过了工件的压缩屈服应力，而在所述第二表面和靠近它的区域超过了工件的拉伸屈服应力，和把所述的第一表面和靠近它的区域冷却到环境温度。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述钢件是奥氏体钢。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述钢件是不锈钢的。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的辐射热源被装在一个炉子样的外壳里，该外壳环绕着所述焊缝和靠近焊缝区域的所述表面。
5.一种在钢管系统中靠近焊缝处的防止应力腐蚀的方法，其特征在于，在所述管内，维持冷却液流过所述的焊缝;使所述焊缝和直接靠近焊缝的区域的外表面受到装置在靠近该表面处紧密空间里的外部热源发射的辐射热;调节施加的辐射热量和所述冷却液的流量，以便建立一个代表产生的局部热应力特征的横穿所述工件的温差，该局部热应力在其外表面上超过管子的压屈服应力，而在其内表面上超过了管子的拉伸屈服应力，和把暴露在这些辐射热中的管子区域冷却到环境温度。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于所述的钢是不锈钢。
7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于所述的辐射热源被装在一个炉子样的外壳里。
8.按照权利要求5所述的方法，其特征在于所述的热源由借助流过的电流而加热到白炽的电阻丝组成。
9.按照权利要求5所述的方法，其特征在于所述的辐射热包括从所述热源发出的直射和反射辐射热。
10.一种防止在钢件中靠近焊缝处的应力腐蚀裂纹的设备，其特征在于，一个装置用于使所述焊缝和靠近焊缝的工件区域的一个表面，在受到该装置位于靠近该处的紧密空间里的外部热源发射的辐射热时，一般容易受到局部压应力;一个装置用于维持冷却液流过所述焊缝和靠近焊缝的工件区域的第二表面时，该表面一般容易受到局部拉应力;为了集中施加热量而将辐射热源和所述焊缝及靠近焊缝的工件区域的一个表面封闭起来的装置。
11.按照权利要求10所述的设备，其特征在于，所述的辐射热源由与工件外形配套的可组装的模件组成，并且该热源位于极靠近工件表面的空间里。
12.按照权利要求10所述的设备，其特征在于所述辐射热源由绝缘件支撑的电阻丝组成。
13.按照权利要求10所述的设备，其特征在于所述的辐射热源的封闭装置包括辐射热反射装置和四周的外壳装置，形成了一个炉样的外壳，围绕着工件的受辐射的区域。
14.按照权利要求10所述的设备，其特征在于还包括用于调节施加的热量和冷却液流量的装置，以便建立一个理想的能代表产生的局部热应力特征的横穿所述工件的温差，该局部热应力在所述的第一表面和靠近它的区域上超过工件的压屈服应力，而在所述的第二表面和靠近它的区域上超过工件的拉伸屈服应力。
15.按照权利要求10所述的设备，其特征在于所述工件是不锈钢管，所述的一个表面是所述管子的外表面，所述第二表面是所述管子的内表面。
全文摘要
一种在钢工件，例如在不锈钢管中靠近焊缝的部位防止应力腐蚀裂纹的方法和设备。是通过用外部产生的辐射热照射一个工件的表面，同时维持冷却液流过其另一个表面，这样产生可控制的通壁温差。
文档编号C21D9/08GK1055892SQ9010413
公开日1991年11月6日 申请日期1990年4月24日 优先权日1990年4月24日
发明者托马斯·M·巴勒, 戴维·桑切克 申请人:托马斯·M·巴特勒, 戴维·桑切克