一種大直徑厚壁壓力氣瓶的淬火方法
2023-07-23 14:38:36 1
一種大直徑厚壁壓力氣瓶的淬火方法
【專利摘要】本發明公開了一種大直徑厚壁壓力氣瓶的淬火方法。利用數值模擬技術，在保證大直徑厚壁壓力氣瓶能夠獲得滿意組織且內腔能夠充分洩壓的前提下，根據壓力氣瓶瓶身特徵節點的溫度變化及組織的分布情況，提出了在氣瓶旋轉的同時對氣瓶內表面採用間歇噴霧、外表面採用連續噴水的淬火冷卻方法。氣瓶旋轉可以改善氣瓶瓶身冷卻的均勻性；氣瓶內表面採用噴霧冷卻可以降低瓶身內外表面溫差，從而降低其淬火應力，提高其淬透性，並減小瓶身變形；內表面的停噴過程有利於氣瓶內腔水蒸氣的充分卸壓。利用本發明能夠使大直徑厚壁壓力氣瓶在淬火後獲得良好的組織分布、較小的變形及殘餘應力，從而提高其淬火質量。
【專利說明】一種大直徑厚壁壓力氣瓶的淬火方法
【技術領域】
[0001] 本發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，屬於熱處理【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 隨著天然氣的廣泛應用，用於盛裝和運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。由於大直徑厚壁壓力氣瓶長期工作在加載與卸載的疲勞環境中，承受很 大的循環應力，應力應變複雜，呈現高應力水平。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節，對其最終質量和使用性能起著關鍵性作用。大直徑 厚壁壓力氣瓶具有質量大、瓶體長、直徑大且瓶口尺寸相對小等特點，其熱處理工藝往往十 分複雜。傳統的氣瓶淬火工藝是將氣瓶直接在槽內進行淬火，其馬氏體轉變量低，瓶體不能 完全淬透，內外表面冷卻不能同時進行，常會導致硬度分布不均、殘餘應力過大、瓶體易發 生較大變形等問題，因此傳統槽內淬火工藝僅適用於體積較小的小直徑壓力氣瓶的淬火生 產。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在於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 後獲得良好的組織分布、較小的變形及殘餘應力，提高氣瓶質量。
[0004] 本發明的構思是這樣的：氣瓶從加熱爐裡加熱至高於奧氏體溫度Ac3 30_50°C，並 充分保溫後，由行車吊至淬火臺架輥道上，內噴霧噴嘴伸入氣瓶內部，旋轉輪開始旋轉，氣 瓶開始進行內表面間歇噴霧、外表面連續噴水淬火冷卻。由於大直徑厚壁壓力氣瓶瓶口直 徑與瓶身尺寸相差較大，為保證氣瓶內腔在噴霧過程中能夠充分洩壓，保持內部壓強穩定， 內表面需進行多次噴霧和停噴的過程。內表面噴霧和停噴的時間安排藉助數值模擬技術， 通過建立大直徑厚壁壓力氣瓶淬火過程的數學模型，網格模型，所用材料數據及合理設置 模擬參數，對氣瓶內表面間歇噴霧、外表面連續噴水過程進行模擬計算。在保證氣瓶能夠獲 得滿意組織且內腔能夠充分洩壓的前提下，根據模擬結果中瓶體特徵節點的溫度變化情況 及組織的轉變情況，經多次實驗分析，確立最終內表面噴霧時間和停噴時間，確立其最終淬 火工藝。
[0005] 具體的，本發明的大直徑厚壁壓力氣瓶的淬火方法包括以下步驟： 氣瓶從加熱爐裡加熱至高於奧氏體溫度Ac3 30-50°C並充分保溫後，由行車吊至淬火 臺架輥道上，將內噴霧噴嘴伸入氣瓶內部，旋轉輪開始旋轉，對氣瓶內表面間歇噴霧、外表 面連續噴水淬火冷卻，其內表面噴霧過程控制方法如下 ： 第一次噴霧時間與停噴時間控制：淬火過程開始時，對氣瓶米用外表面噴水、內表面噴 霧的方式進行冷卻，以使氣瓶外層溫度迅速降至馬氏體轉變點以下，當氣瓶內表面溫度降 至鐵素體相變起始點之後內表面噴霧停止； 第二次噴霧時間與停噴時間控制：當氣瓶內表面溫度回升至最高點後內表面開始進行 第二次噴霧冷卻，當內表面溫度達到鐵素體相變終止點之後內表面噴霧冷卻停止；其停噴 時間再次持續至內表面溫度回升至最高點； 第三次噴霧時間與停噴時間控制：當氣瓶內表面溫度回升至最高點後對其內表面開始 進行第三次噴霧冷卻，當氣瓶內表面溫度低於馬氏體相變起始點，且內表面在停噴後溫度 回升至最高點恰好不高於馬氏體轉變終止點時，內表面噴霧冷卻停止，其停噴時間再次持 續至內表面溫度回升至最高點； 第四次噴霧時間控制：當氣瓶內表面溫度回升至最高點後，再次對其內表面進行第四 次噴霧冷卻，直至將氣瓶內表面溫度最高點冷卻至回火溫度為止。
[0006] 本發明取得的有益效果是：本發明在數值模擬的基礎上，對大直徑厚壁壓力氣瓶 採用臺架淬火的方式，對採用氣瓶內表面徑向間歇噴霧外表面連續噴水的淬火工藝，間歇 噴霧可以調節氣瓶淬火過程中瓶身的溫度分布，降低熱應力；停噴過程調整了氣瓶內表面 的熱量釋放，有利於控制氣瓶內部水蒸氣的生成量，實現氣瓶內部最大氣壓的控制；徑向噴 霧可以使內表面均勻淬火，實現硬度均勻分布。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007] 附圖1是是本發明實施例模型網格劃分及特徵節點分布圖。
[0008] 附圖2是本發明實施例氣瓶各特徵節點溫度隨時間變化圖。
[0009] 附圖3是本發明實施例氣瓶各特徵節點軸向應力隨時間變化圖。
[0010] 附圖4是本發明實施例氣瓶淬火後瓶體各應力沿壁厚方向分布曲線。
[0011] 附圖5是本發明實施例氣瓶淬火後瓶身沿壁厚方向組織分布曲線圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面的實施例用於說明本發明。
[0013] 實施例氣瓶長度為6000mm、壁厚為38mm、外徑為914mm、瓶口外徑為270mm，材料為 30CrMo鋼。氣瓶從加熱爐裡加熱至900°C，保溫45min後，由行車吊至淬火臺架輥道上，內 噴霧噴嘴伸入氣瓶內部，旋轉輪開始旋轉，氣瓶開始進行內表面間歇噴霧、外表面連續噴水 淬火，以保證氣瓶內腔在噴霧過程中能夠充分洩壓，保持內部壓強穩定。具體方法如下： 建立氣瓶淬火過程的數學模型及氣瓶網格模型(其網格模型如圖1所示)。獲取30CrMo 鋼的力學性能參數及熱物性參數及合理設置模擬參數，對氣瓶內表面間歇噴霧外表面連續 噴水過程進行模擬計算。保證氣瓶能夠獲得滿意組織且內腔能夠充分洩壓的前提下，根據 模擬結果中瓶體特徵節點的溫度變化情況及組織的轉變情況，多次模擬分析，確立最終內 表面噴霧時間和停噴時間。間歇噴霧時間確立的依據如下： 第一次噴霧時間與停噴時間控制：淬火過程開始時，對氣瓶米用外表面噴水內表面噴 霧的方式進行冷卻，以使氣瓶外層溫度迅速降至馬氏體轉變點以下；當氣瓶內層溫度降至 鐵素體相變起始點之後內表面噴霧冷卻過程停止，其停噴時間持續至內表面溫度回升至最 商點。
[0014] 第二次噴霧時間與停噴時間控制：當氣瓶內表面溫度回升至最高點後對其內表面 開始進行第二次噴霧冷卻；當內表面溫度達到鐵素體相變終止點之後內表面噴霧冷卻過程 停止，其停噴時間再次持續至內表面溫度回升至最高點。
[0015] 第三次噴霧時間與停噴時間控制：當氣瓶內表面溫度回升至最高點後對其內表面 開始進行第三次噴霧冷卻；當氣瓶內表面溫度低於馬氏體相變起始點，且內表面在停噴後 溫度回升至最高點恰好不高於馬氏體轉變終止點時，內表面噴霧冷卻過程停止，其停噴時 間再次持續至內表面溫度回升至最高點。
[0016] 第四次噴霧時間控制：當氣瓶內表面溫度回升至最高點後再次對其內表面開始進 行第四次噴霧冷卻，直至將氣瓶內溫度最高點冷卻至回火溫度為止。
[0017] 按上述工藝淬火後氣瓶各特徵節點溫度隨時間的變化曲線如圖2所示，各特徵節 點軸向應力隨時間變化曲線如圖3所示，淬火後瓶體應力沿壁厚方向分布曲線如圖4所示， 淬火後馬氏體組織分布如圖5所示。由模擬結果可知，氣瓶按內表面徑向間歇噴霧外表面 連續噴水淬火工藝淬火後，軸向應力峰值均在材料的安全範圍內，淬火後殘餘應力較小，瓶 體變形較小，瓶體完全淬透。
[0018] 大直徑厚壁壓力氣瓶採用普遍應用於中小氣瓶的槽內浸水的淬火工藝淬火後，氣 瓶的組織和力學性能不能滿足使用要求，對大直徑厚壁壓力氣瓶淬火工藝的研究很少。本 發明在數值模擬的基礎上，對大直徑厚壁壓力氣瓶採用臺架淬火的方式，提供了一種大直 徑厚壁壓力氣瓶的內表面間歇噴霧外表面連續噴水的淬火方法，淬火後氣瓶能夠獲得滿意 的組織分布及對實現對殘餘應力的控制。
【權利要求】
1. 一種大直徑厚壁壓力氣瓶的淬火方法，其特徵在於：氣瓶從加熱爐裡加熱至高於奧 氏體溫度Ae3 30-50°C並充分保溫後，由行車吊至淬火臺架輥道上，將內噴霧噴嘴伸入氣瓶 內部，旋轉輪開始旋轉，對氣瓶內表面間歇噴霧、外表面連續噴水淬火冷卻，其內表面噴霧 過程控制方法如下： 第一次噴霧時間與停噴時間控制：淬火過程開始時，對氣瓶米用外表面噴水、內表面噴 霧的方式進行冷卻，以使氣瓶外層溫度迅速降至馬氏體轉變點以下，當氣瓶內表面溫度降 至鐵素體相變起始點之後內表面噴霧停止； 第二次噴霧時間與停噴時間控制：當氣瓶內表面溫度回升至最高點後內表面開始進行 第二次噴霧冷卻，當內表面溫度達到鐵素體相變終止點之後內表面噴霧冷卻停止；其停噴 時間再次持續至內表面溫度回升至最高點； 第三次噴霧時間與停噴時間控制：當氣瓶內表面溫度回升至最高點後對其內表面開始 進行第三次噴霧冷卻，當氣瓶內表面溫度低於馬氏體相變起始點，且內表面在停噴後溫度 回升至最高點恰好不高於馬氏體轉變終止點時，內表面噴霧冷卻停止，其停噴時間再次持 續至內表面溫度回升至最高點； 第四次噴霧時間控制：當氣瓶內表面溫度回升至最高點後，再次對其內表面進行第四 次噴霧冷卻，直至將氣瓶內表面溫度最高點冷卻至回火溫度為止。
【文檔編號】C21D11/00GK104046762SQ201410291712
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月26日 優先權日:2014年6月26日
【發明者】李強, 王葛, 高靜娜, 王莉莉, 朱國善, 杜雄飛 申請人:燕山大學