一種大直徑厚壁壓力氣瓶的淬火方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大直徑厚壁壓力氣瓶的淬火方法。利用數(shù)值模擬技術(shù)，在保證大直徑厚壁壓力氣瓶能夠獲得滿意組織且內(nèi)腔能夠充分泄壓的前提下，根據(jù)壓力氣瓶瓶身特征節(jié)點(diǎn)的溫度變化及組織的分布情況，提出了在氣瓶旋轉(zhuǎn)的同時(shí)對(duì)氣瓶?jī)?nèi)表面采用間歇噴霧、外表面采用連續(xù)噴水的淬火冷卻方法。氣瓶旋轉(zhuǎn)可以改善氣瓶瓶身冷卻的均勻性；氣瓶?jī)?nèi)表面采用噴霧冷卻可以降低瓶身內(nèi)外表面溫差，從而降低其淬火應(yīng)力，提高其淬透性，并減小瓶身變形；內(nèi)表面的停噴過程有利于氣瓶?jī)?nèi)腔水蒸氣的充分卸壓。利用本發(fā)明能夠使大直徑厚壁壓力氣瓶在淬火后獲得良好的組織分布、較小的變形及殘余應(yīng)力，從而提高其淬火質(zhì)量。
【專利說明】一種大直徑厚壁壓力氣瓶的淬火方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種壓力氣瓶的熱處理方法，特別是一種大直徑厚壁壓力氣瓶的淬火 方法，屬于熱處理【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著天然氣的廣泛應(yīng)用，用于盛裝和運(yùn)輸壓縮天然氣的大直徑厚壁壓力氣瓶的需 求量在逐年增加。由于大直徑厚壁壓力氣瓶長(zhǎng)期工作在加載與卸載的疲勞環(huán)境中，承受很 大的循環(huán)應(yīng)力，應(yīng)力應(yīng)變復(fù)雜，呈現(xiàn)高應(yīng)力水平。大直徑厚壁壓力氣瓶淬火工藝的制定是壓 力氣瓶熱處理工藝中最為重要的環(huán)節(jié)，對(duì)其最終質(zhì)量和使用性能起著關(guān)鍵性作用。大直徑 厚壁壓力氣瓶具有質(zhì)量大、瓶體長(zhǎng)、直徑大且瓶口尺寸相對(duì)小等特點(diǎn)，其熱處理工藝往往十 分復(fù)雜。傳統(tǒng)的氣瓶淬火工藝是將氣瓶直接在槽內(nèi)進(jìn)行淬火，其馬氏體轉(zhuǎn)變量低，瓶體不能 完全淬透，內(nèi)外表面冷卻不能同時(shí)進(jìn)行，常會(huì)導(dǎo)致硬度分布不均、殘余應(yīng)力過大、瓶體易發(fā) 生較大變形等問題，因此傳統(tǒng)槽內(nèi)淬火工藝僅適用于體積較小的小直徑壓力氣瓶的淬火生 產(chǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種大直徑厚壁壓力氣瓶的淬火方法，使氣瓶能夠在淬火 后獲得良好的組織分布、較小的變形及殘余應(yīng)力，提高氣瓶質(zhì)量。
[0004] 本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的：氣瓶從加熱爐里加熱至高于奧氏體溫度Ac3 30_50°C，并 充分保溫后，由行車吊至淬火臺(tái)架輥道上，內(nèi)噴霧噴嘴伸入氣瓶?jī)?nèi)部，旋轉(zhuǎn)輪開始旋轉(zhuǎn)，氣 瓶開始進(jìn)行內(nèi)表面間歇噴霧、外表面連續(xù)噴水淬火冷卻。由于大直徑厚壁壓力氣瓶瓶口直 徑與瓶身尺寸相差較大，為保證氣瓶?jī)?nèi)腔在噴霧過程中能夠充分泄壓，保持內(nèi)部壓強(qiáng)穩(wěn)定， 內(nèi)表面需進(jìn)行多次噴霧和停噴的過程。內(nèi)表面噴霧和停噴的時(shí)間安排借助數(shù)值模擬技術(shù)， 通過建立大直徑厚壁壓力氣瓶淬火過程的數(shù)學(xué)模型，網(wǎng)格模型，所用材料數(shù)據(jù)及合理設(shè)置 模擬參數(shù)，對(duì)氣瓶?jī)?nèi)表面間歇噴霧、外表面連續(xù)噴水過程進(jìn)行模擬計(jì)算。在保證氣瓶能夠獲 得滿意組織且內(nèi)腔能夠充分泄壓的前提下，根據(jù)模擬結(jié)果中瓶體特征節(jié)點(diǎn)的溫度變化情況 及組織的轉(zhuǎn)變情況，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)分析，確立最終內(nèi)表面噴霧時(shí)間和停噴時(shí)間，確立其最終淬 火工藝。
[0005] 具體的，本發(fā)明的大直徑厚壁壓力氣瓶的淬火方法包括以下步驟： 氣瓶從加熱爐里加熱至高于奧氏體溫度Ac3 30-50°C并充分保溫后，由行車吊至淬火 臺(tái)架輥道上，將內(nèi)噴霧噴嘴伸入氣瓶?jī)?nèi)部，旋轉(zhuǎn)輪開始旋轉(zhuǎn)，對(duì)氣瓶?jī)?nèi)表面間歇噴霧、外表 面連續(xù)噴水淬火冷卻，其內(nèi)表面噴霧過程控制方法如下 ： 第一次噴霧時(shí)間與停噴時(shí)間控制：淬火過程開始時(shí)，對(duì)氣瓶米用外表面噴水、內(nèi)表面噴 霧的方式進(jìn)行冷卻，以使氣瓶外層溫度迅速降至馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下，當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度降 至鐵素體相變起始點(diǎn)之后內(nèi)表面噴霧停止； 第二次噴霧時(shí)間與停噴時(shí)間控制：當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)后內(nèi)表面開始進(jìn)行 第二次噴霧冷卻，當(dāng)內(nèi)表面溫度達(dá)到鐵素體相變終止點(diǎn)之后內(nèi)表面噴霧冷卻停止；其停噴 時(shí)間再次持續(xù)至內(nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)； 第三次噴霧時(shí)間與停噴時(shí)間控制：當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)后對(duì)其內(nèi)表面開始 進(jìn)行第三次噴霧冷卻，當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度低于馬氏體相變起始點(diǎn)，且內(nèi)表面在停噴后溫度 回升至最高點(diǎn)恰好不高于馬氏體轉(zhuǎn)變終止點(diǎn)時(shí)，內(nèi)表面噴霧冷卻停止，其停噴時(shí)間再次持 續(xù)至內(nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)； 第四次噴霧時(shí)間控制：當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)后，再次對(duì)其內(nèi)表面進(jìn)行第四 次噴霧冷卻，直至將氣瓶?jī)?nèi)表面溫度最高點(diǎn)冷卻至回火溫度為止。
[0006] 本發(fā)明取得的有益效果是：本發(fā)明在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)大直徑厚壁壓力氣瓶 采用臺(tái)架淬火的方式，對(duì)采用氣瓶?jī)?nèi)表面徑向間歇噴霧外表面連續(xù)噴水的淬火工藝，間歇 噴霧可以調(diào)節(jié)氣瓶淬火過程中瓶身的溫度分布，降低熱應(yīng)力；停噴過程調(diào)整了氣瓶?jī)?nèi)表面 的熱量釋放，有利于控制氣瓶?jī)?nèi)部水蒸氣的生成量，實(shí)現(xiàn)氣瓶?jī)?nèi)部最大氣壓的控制；徑向噴 霧可以使內(nèi)表面均勻淬火，實(shí)現(xiàn)硬度均勻分布。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 附圖1是是本發(fā)明實(shí)施例模型網(wǎng)格劃分及特征節(jié)點(diǎn)分布圖。
[0008] 附圖2是本發(fā)明實(shí)施例氣瓶各特征節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖。
[0009] 附圖3是本發(fā)明實(shí)施例氣瓶各特征節(jié)點(diǎn)軸向應(yīng)力隨時(shí)間變化圖。
[0010] 附圖4是本發(fā)明實(shí)施例氣瓶淬火后瓶體各應(yīng)力沿壁厚方向分布曲線。
[0011] 附圖5是本發(fā)明實(shí)施例氣瓶淬火后瓶身沿壁厚方向組織分布曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面的實(shí)施例用于說明本發(fā)明。
[0013] 實(shí)施例氣瓶長(zhǎng)度為6000mm、壁厚為38mm、外徑為914mm、瓶口外徑為270mm，材料為 30CrMo鋼。氣瓶從加熱爐里加熱至900°C，保溫45min后，由行車吊至淬火臺(tái)架輥道上，內(nèi) 噴霧噴嘴伸入氣瓶?jī)?nèi)部，旋轉(zhuǎn)輪開始旋轉(zhuǎn)，氣瓶開始進(jìn)行內(nèi)表面間歇噴霧、外表面連續(xù)噴水 淬火，以保證氣瓶?jī)?nèi)腔在噴霧過程中能夠充分泄壓，保持內(nèi)部壓強(qiáng)穩(wěn)定。具體方法如下： 建立氣瓶淬火過程的數(shù)學(xué)模型及氣瓶網(wǎng)格模型(其網(wǎng)格模型如圖1所示)。獲取30CrMo 鋼的力學(xué)性能參數(shù)及熱物性參數(shù)及合理設(shè)置模擬參數(shù)，對(duì)氣瓶?jī)?nèi)表面間歇噴霧外表面連續(xù) 噴水過程進(jìn)行模擬計(jì)算。保證氣瓶能夠獲得滿意組織且內(nèi)腔能夠充分泄壓的前提下，根據(jù) 模擬結(jié)果中瓶體特征節(jié)點(diǎn)的溫度變化情況及組織的轉(zhuǎn)變情況，多次模擬分析，確立最終內(nèi) 表面噴霧時(shí)間和停噴時(shí)間。間歇噴霧時(shí)間確立的依據(jù)如下： 第一次噴霧時(shí)間與停噴時(shí)間控制：淬火過程開始時(shí)，對(duì)氣瓶米用外表面噴水內(nèi)表面噴 霧的方式進(jìn)行冷卻，以使氣瓶外層溫度迅速降至馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下；當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)層溫度降至 鐵素體相變起始點(diǎn)之后內(nèi)表面噴霧冷卻過程停止，其停噴時(shí)間持續(xù)至內(nèi)表面溫度回升至最 商點(diǎn)。
[0014] 第二次噴霧時(shí)間與停噴時(shí)間控制：當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)后對(duì)其內(nèi)表面 開始進(jìn)行第二次噴霧冷卻；當(dāng)內(nèi)表面溫度達(dá)到鐵素體相變終止點(diǎn)之后內(nèi)表面噴霧冷卻過程 停止，其停噴時(shí)間再次持續(xù)至內(nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)。
[0015] 第三次噴霧時(shí)間與停噴時(shí)間控制：當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)后對(duì)其內(nèi)表面 開始進(jìn)行第三次噴霧冷卻；當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度低于馬氏體相變起始點(diǎn)，且內(nèi)表面在停噴后 溫度回升至最高點(diǎn)恰好不高于馬氏體轉(zhuǎn)變終止點(diǎn)時(shí)，內(nèi)表面噴霧冷卻過程停止，其停噴時(shí) 間再次持續(xù)至內(nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)。
[0016] 第四次噴霧時(shí)間控制：當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)后再次對(duì)其內(nèi)表面開始進(jìn) 行第四次噴霧冷卻，直至將氣瓶?jī)?nèi)溫度最高點(diǎn)冷卻至回火溫度為止。
[0017] 按上述工藝淬火后氣瓶各特征節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示，各特征節(jié) 點(diǎn)軸向應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖3所示，淬火后瓶體應(yīng)力沿壁厚方向分布曲線如圖4所示， 淬火后馬氏體組織分布如圖5所示。由模擬結(jié)果可知，氣瓶按內(nèi)表面徑向間歇噴霧外表面 連續(xù)噴水淬火工藝淬火后，軸向應(yīng)力峰值均在材料的安全范圍內(nèi)，淬火后殘余應(yīng)力較小，瓶 體變形較小，瓶體完全淬透。
[0018] 大直徑厚壁壓力氣瓶采用普遍應(yīng)用于中小氣瓶的槽內(nèi)浸水的淬火工藝淬火后，氣 瓶的組織和力學(xué)性能不能滿足使用要求，對(duì)大直徑厚壁壓力氣瓶淬火工藝的研究很少。本 發(fā)明在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)大直徑厚壁壓力氣瓶采用臺(tái)架淬火的方式，提供了一種大直 徑厚壁壓力氣瓶的內(nèi)表面間歇噴霧外表面連續(xù)噴水的淬火方法，淬火后氣瓶能夠獲得滿意 的組織分布及對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)殘余應(yīng)力的控制。
【權(quán)利要求】
1. 一種大直徑厚壁壓力氣瓶的淬火方法，其特征在于：氣瓶從加熱爐里加熱至高于奧 氏體溫度Ae3 30-50°C并充分保溫后，由行車吊至淬火臺(tái)架輥道上，將內(nèi)噴霧噴嘴伸入氣瓶 內(nèi)部，旋轉(zhuǎn)輪開始旋轉(zhuǎn)，對(duì)氣瓶?jī)?nèi)表面間歇噴霧、外表面連續(xù)噴水淬火冷卻，其內(nèi)表面噴霧 過程控制方法如下： 第一次噴霧時(shí)間與停噴時(shí)間控制：淬火過程開始時(shí)，對(duì)氣瓶米用外表面噴水、內(nèi)表面噴 霧的方式進(jìn)行冷卻，以使氣瓶外層溫度迅速降至馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下，當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度降 至鐵素體相變起始點(diǎn)之后內(nèi)表面噴霧停止； 第二次噴霧時(shí)間與停噴時(shí)間控制：當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)后內(nèi)表面開始進(jìn)行 第二次噴霧冷卻，當(dāng)內(nèi)表面溫度達(dá)到鐵素體相變終止點(diǎn)之后內(nèi)表面噴霧冷卻停止；其停噴 時(shí)間再次持續(xù)至內(nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)； 第三次噴霧時(shí)間與停噴時(shí)間控制：當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)后對(duì)其內(nèi)表面開始 進(jìn)行第三次噴霧冷卻，當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度低于馬氏體相變起始點(diǎn)，且內(nèi)表面在停噴后溫度 回升至最高點(diǎn)恰好不高于馬氏體轉(zhuǎn)變終止點(diǎn)時(shí)，內(nèi)表面噴霧冷卻停止，其停噴時(shí)間再次持 續(xù)至內(nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)； 第四次噴霧時(shí)間控制：當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)表面溫度回升至最高點(diǎn)后，再次對(duì)其內(nèi)表面進(jìn)行第四 次噴霧冷卻，直至將氣瓶?jī)?nèi)表面溫度最高點(diǎn)冷卻至回火溫度為止。
【文檔編號(hào)】C21D11/00GK104046762SQ201410291712
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】李強(qiáng), 王葛, 高靜娜, 王莉莉, 朱國(guó)善, 杜雄飛 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)