一种大直径厚壁压力气瓶的淬火方法
【专利摘要】本发明公开了一种大直径厚壁压力气瓶的淬火方法。利用数值模拟技术，在保证大直径厚壁压力气瓶能够获得满意组织且内腔能够充分泄压的前提下，根据压力气瓶瓶身特征节点的温度变化及组织的分布情况，提出了在气瓶旋转的同时对气瓶内表面采用间歇喷雾、外表面采用连续喷水的淬火冷却方法。气瓶旋转可以改善气瓶瓶身冷却的均匀性；气瓶内表面采用喷雾冷却可以降低瓶身内外表面温差，从而降低其淬火应力，提高其淬透性，并减小瓶身变形；内表面的停喷过程有利于气瓶内腔水蒸气的充分卸压。利用本发明能够使大直径厚壁压力气瓶在淬火后获得良好的组织分布、较小的变形及残余应力，从而提高其淬火质量。
【专利说明】一种大直径厚壁压力气瓶的淬火方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种压力气瓶的热处理方法，特别是一种大直径厚壁压力气瓶的淬火 方法，属于热处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着天然气的广泛应用，用于盛装和运输压缩天然气的大直径厚壁压力气瓶的需 求量在逐年增加。由于大直径厚壁压力气瓶长期工作在加载与卸载的疲劳环境中，承受很 大的循环应力，应力应变复杂，呈现高应力水平。大直径厚壁压力气瓶淬火工艺的制定是压 力气瓶热处理工艺中最为重要的环节，对其最终质量和使用性能起着关键性作用。大直径 厚壁压力气瓶具有质量大、瓶体长、直径大且瓶口尺寸相对小等特点，其热处理工艺往往十 分复杂。传统的气瓶淬火工艺是将气瓶直接在槽内进行淬火，其马氏体转变量低，瓶体不能 完全淬透，内外表面冷却不能同时进行，常会导致硬度分布不均、残余应力过大、瓶体易发 生较大变形等问题，因此传统槽内淬火工艺仅适用于体积较小的小直径压力气瓶的淬火生 产。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种大直径厚壁压力气瓶的淬火方法，使气瓶能够在淬火 后获得良好的组织分布、较小的变形及残余应力，提高气瓶质量。
[0004] 本发明的构思是这样的：气瓶从加热炉里加热至高于奥氏体温度Ac3 30_50°C，并 充分保温后，由行车吊至淬火台架辊道上，内喷雾喷嘴伸入气瓶内部，旋转轮开始旋转，气 瓶开始进行内表面间歇喷雾、外表面连续喷水淬火冷却。由于大直径厚壁压力气瓶瓶口直 径与瓶身尺寸相差较大，为保证气瓶内腔在喷雾过程中能够充分泄压，保持内部压强稳定， 内表面需进行多次喷雾和停喷的过程。内表面喷雾和停喷的时间安排借助数值模拟技术， 通过建立大直径厚壁压力气瓶淬火过程的数学模型，网格模型，所用材料数据及合理设置 模拟参数，对气瓶内表面间歇喷雾、外表面连续喷水过程进行模拟计算。在保证气瓶能够获 得满意组织且内腔能够充分泄压的前提下，根据模拟结果中瓶体特征节点的温度变化情况 及组织的转变情况，经多次实验分析，确立最终内表面喷雾时间和停喷时间，确立其最终淬 火工艺。
[0005] 具体的，本发明的大直径厚壁压力气瓶的淬火方法包括以下步骤： 气瓶从加热炉里加热至高于奥氏体温度Ac3 30-50°C并充分保温后，由行车吊至淬火 台架辊道上，将内喷雾喷嘴伸入气瓶内部，旋转轮开始旋转，对气瓶内表面间歇喷雾、外表 面连续喷水淬火冷却，其内表面喷雾过程控制方法如下 ： 第一次喷雾时间与停喷时间控制：淬火过程开始时，对气瓶米用外表面喷水、内表面喷 雾的方式进行冷却，以使气瓶外层温度迅速降至马氏体转变点以下，当气瓶内表面温度降 至铁素体相变起始点之后内表面喷雾停止； 第二次喷雾时间与停喷时间控制：当气瓶内表面温度回升至最高点后内表面开始进行 第二次喷雾冷却，当内表面温度达到铁素体相变终止点之后内表面喷雾冷却停止；其停喷 时间再次持续至内表面温度回升至最高点； 第三次喷雾时间与停喷时间控制：当气瓶内表面温度回升至最高点后对其内表面开始 进行第三次喷雾冷却，当气瓶内表面温度低于马氏体相变起始点，且内表面在停喷后温度 回升至最高点恰好不高于马氏体转变终止点时，内表面喷雾冷却停止，其停喷时间再次持 续至内表面温度回升至最高点； 第四次喷雾时间控制：当气瓶内表面温度回升至最高点后，再次对其内表面进行第四 次喷雾冷却，直至将气瓶内表面温度最高点冷却至回火温度为止。
[0006] 本发明取得的有益效果是：本发明在数值模拟的基础上，对大直径厚壁压力气瓶 采用台架淬火的方式，对采用气瓶内表面径向间歇喷雾外表面连续喷水的淬火工艺，间歇 喷雾可以调节气瓶淬火过程中瓶身的温度分布，降低热应力；停喷过程调整了气瓶内表面 的热量释放，有利于控制气瓶内部水蒸气的生成量，实现气瓶内部最大气压的控制；径向喷 雾可以使内表面均匀淬火，实现硬度均匀分布。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 附图1是是本发明实施例模型网格划分及特征节点分布图。
[0008] 附图2是本发明实施例气瓶各特征节点温度随时间变化图。
[0009] 附图3是本发明实施例气瓶各特征节点轴向应力随时间变化图。
[0010] 附图4是本发明实施例气瓶淬火后瓶体各应力沿壁厚方向分布曲线。
[0011] 附图5是本发明实施例气瓶淬火后瓶身沿壁厚方向组织分布曲线图。
【具体实施方式】
[0012] 下面的实施例用于说明本发明。
[0013] 实施例气瓶长度为6000mm、壁厚为38mm、外径为914mm、瓶口外径为270mm，材料为 30CrMo钢。气瓶从加热炉里加热至900°C，保温45min后，由行车吊至淬火台架辊道上，内 喷雾喷嘴伸入气瓶内部，旋转轮开始旋转，气瓶开始进行内表面间歇喷雾、外表面连续喷水 淬火，以保证气瓶内腔在喷雾过程中能够充分泄压，保持内部压强稳定。具体方法如下： 建立气瓶淬火过程的数学模型及气瓶网格模型(其网格模型如图1所示)。获取30CrMo 钢的力学性能参数及热物性参数及合理设置模拟参数，对气瓶内表面间歇喷雾外表面连续 喷水过程进行模拟计算。保证气瓶能够获得满意组织且内腔能够充分泄压的前提下，根据 模拟结果中瓶体特征节点的温度变化情况及组织的转变情况，多次模拟分析，确立最终内 表面喷雾时间和停喷时间。间歇喷雾时间确立的依据如下： 第一次喷雾时间与停喷时间控制：淬火过程开始时，对气瓶米用外表面喷水内表面喷 雾的方式进行冷却，以使气瓶外层温度迅速降至马氏体转变点以下；当气瓶内层温度降至 铁素体相变起始点之后内表面喷雾冷却过程停止，其停喷时间持续至内表面温度回升至最 商点。
[0014] 第二次喷雾时间与停喷时间控制：当气瓶内表面温度回升至最高点后对其内表面 开始进行第二次喷雾冷却；当内表面温度达到铁素体相变终止点之后内表面喷雾冷却过程 停止，其停喷时间再次持续至内表面温度回升至最高点。
[0015] 第三次喷雾时间与停喷时间控制：当气瓶内表面温度回升至最高点后对其内表面 开始进行第三次喷雾冷却；当气瓶内表面温度低于马氏体相变起始点，且内表面在停喷后 温度回升至最高点恰好不高于马氏体转变终止点时，内表面喷雾冷却过程停止，其停喷时 间再次持续至内表面温度回升至最高点。
[0016] 第四次喷雾时间控制：当气瓶内表面温度回升至最高点后再次对其内表面开始进 行第四次喷雾冷却，直至将气瓶内温度最高点冷却至回火温度为止。
[0017] 按上述工艺淬火后气瓶各特征节点温度随时间的变化曲线如图2所示，各特征节 点轴向应力随时间变化曲线如图3所示，淬火后瓶体应力沿壁厚方向分布曲线如图4所示， 淬火后马氏体组织分布如图5所示。由模拟结果可知，气瓶按内表面径向间歇喷雾外表面 连续喷水淬火工艺淬火后，轴向应力峰值均在材料的安全范围内，淬火后残余应力较小，瓶 体变形较小，瓶体完全淬透。
[0018] 大直径厚壁压力气瓶采用普遍应用于中小气瓶的槽内浸水的淬火工艺淬火后，气 瓶的组织和力学性能不能满足使用要求，对大直径厚壁压力气瓶淬火工艺的研究很少。本 发明在数值模拟的基础上，对大直径厚壁压力气瓶采用台架淬火的方式，提供了一种大直 径厚壁压力气瓶的内表面间歇喷雾外表面连续喷水的淬火方法，淬火后气瓶能够获得满意 的组织分布及对实现对残余应力的控制。
【权利要求】
1. 一种大直径厚壁压力气瓶的淬火方法，其特征在于：气瓶从加热炉里加热至高于奥 氏体温度Ae3 30-50°C并充分保温后，由行车吊至淬火台架辊道上，将内喷雾喷嘴伸入气瓶 内部，旋转轮开始旋转，对气瓶内表面间歇喷雾、外表面连续喷水淬火冷却，其内表面喷雾 过程控制方法如下： 第一次喷雾时间与停喷时间控制：淬火过程开始时，对气瓶米用外表面喷水、内表面喷 雾的方式进行冷却，以使气瓶外层温度迅速降至马氏体转变点以下，当气瓶内表面温度降 至铁素体相变起始点之后内表面喷雾停止； 第二次喷雾时间与停喷时间控制：当气瓶内表面温度回升至最高点后内表面开始进行 第二次喷雾冷却，当内表面温度达到铁素体相变终止点之后内表面喷雾冷却停止；其停喷 时间再次持续至内表面温度回升至最高点； 第三次喷雾时间与停喷时间控制：当气瓶内表面温度回升至最高点后对其内表面开始 进行第三次喷雾冷却，当气瓶内表面温度低于马氏体相变起始点，且内表面在停喷后温度 回升至最高点恰好不高于马氏体转变终止点时，内表面喷雾冷却停止，其停喷时间再次持 续至内表面温度回升至最高点； 第四次喷雾时间控制：当气瓶内表面温度回升至最高点后，再次对其内表面进行第四 次喷雾冷却，直至将气瓶内表面温度最高点冷却至回火温度为止。
【文档编号】C21D11/00GK104046762SQ201410291712
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】李强, 王葛, 高静娜, 王莉莉, 朱国善, 杜雄飞 申请人:燕山大学