基于壓力容器設計中的熱處理問題分析與研究

摘要：在壓力容器的設計中，熱處理一種行之有效方法來解決容器金屬焊后的一系列問題。本文概述了常見的壓力容器設計中的一系列熱處理問題以及采用熱處理的目的和重要性，并簡單介紹了幾種常見的金屬焊后熱處理方法，為相關的從業(yè)人員提供理論參考。

關鍵詞：壓力容器，設計，熱處理，分析，方法，研究

引言：

熱處理是一種傳統(tǒng)的改善金屬材質(zhì)性能的方法，在壓力容器設計中，針對壓力容器的具體情況與用途，在焊后進行熱處理，其主要目的是降低焊接殘余應力，改善焊接接頭的組織和性能。目前，壓力容器設計中的熱處理主要分為：焊后熱處理即消除應力熱處理、改善材料熱處理、恢復材料性能熱處理和焊后消氫熱處理四種。需要指出的是焊后消氫熱處理要求在焊接完成后立即進行熱處理，這樣不僅能釋放焊縫金屬中的氫，而且還能防止焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋。

1.常見壓力容器設計中的熱處理問題以及熱處理的目的

壓力容器，即主要用來盛裝液體或氣體，同時要承載一定的壓力的密閉封存的盛裝設備，其按用途又可分為貯運容器、反應容器、換熱容器和分離容器等。

壓力容器的熱處理，顧名思義，就是運用相應的熱源及材料對其進行加熱、實現(xiàn)保溫和冷卻的過程。在這個過程中，不改變金屬材料的外部形狀，但卻使內(nèi)部金屬組織結構發(fā)生一定程度的變化，使其符合要求。過程中，金屬材料的基本性能會得到更好的調(diào)控以及潛能的更大發(fā)揮。

常見的壓力容器的熱處理問題是由于金屬焊接的缺陷造成的。由物理學原理可知，焊接過程中焊接接頭的熔合線附近，溫度處于固、液相態(tài)之間，溫度下降冷卻時，組織就會出現(xiàn)一個過熱的現(xiàn)象，致使組織呈現(xiàn)出晶粒粗大、化學成分不均勻的現(xiàn)象，與此同時組織也變得極不均勻、組織強度上升但可塑性卻有所下降。而熔和線外側的過熱區(qū)還會伴隨出現(xiàn)尉氏組織和索氏體的物質(zhì)，使得這個區(qū)域的韌性顯著下降。過熱區(qū)外側的正火區(qū)，由于加熱和冷卻的雙重作用，形成了一種細小均勻的鐵素體加珠光體的物質(zhì)。綜上所說，由于熔和線處的溫度差，造成了熔池的雜質(zhì)不斷有熔和線向融合中心移動，使得熔池中心部分最容易產(chǎn)生夾渣缺陷，再加之熔和線的冷卻速度差異，便產(chǎn)生了普遍的裂紋，而這些裂紋會以不同的形態(tài)體現(xiàn)出來。如焊接腐蝕裂紋接頭因鋼材淬硬性產(chǎn)生裂紋、有氫擴散產(chǎn)生的冷裂紋以及熱裂紋和晶間紋等。

正是由于金屬焊接過程中的缺陷所造成的一系列問題，使得壓力容器的熱處理變得尤為重要。焊接后的熱處理主要有一下四個目的：1. 松弛焊接的參與應力，從而更好的完成焊接過程；2. 焊接后的熱處理可以更好的使壓力容器的結構穩(wěn)定，固定并完善其結構的形狀與尺寸，降低畸變率；3. 可以更好的改善材料與焊接區(qū)的性能，如焊縫金屬的塑性、熱影響區(qū)硬度、斷裂的韌性以及金屬的疲勞強度等；4. 可以有效提高容器的抗應能力和抗腐蝕能力，更好的釋放焊縫金屬中的有害氣體，從而防止或延遲裂紋產(chǎn)生。

2.壓力容器設計中熱處理的重要性

2.1壓力容器設計中的熱處理的綜合考慮。

《鋼制壓力容器》規(guī)定壓力容器要進行焊后熱處理并不是說熱處理就具有絕對的優(yōu)勢，這主要卻取決于壓力容器的最終要求和用途，雖然熱處理可以有效地緩和容器焊后的殘余應力，但熱處理的長時間高溫會使容器的結構失去剛性，因此要充分考慮焊接能否承受住高溫。

2.2壓力容器進行熱處理的必要性。

眾所周知，壓力容器在焊接后，其焊接處存在較大的殘余應力，而這種殘余應力會與焊縫中的氫作用結合，造成熱影響區(qū)硬化，從而導致冷裂紋或延遲裂紋的產(chǎn)生，再加之侵蝕性介質(zhì)成分、濃度、溫度等的不同一系列因素，使得腐蝕破壞的性能也產(chǎn)生了變化，這種情況下就是熱處理顯得尤為必要。通過熱處理，來形成耐腐蝕的焊接接頭，從而使得壓力容器的擁有更好的性能。

2.3壓力容器進行熱處理的重要性。

首先，通過對壓力容器進行熱處理，可以有效地去除殘余應力，從而穩(wěn)固容器結構，提升容器性能。其次，通過熱處理可以有效改善金屬材料的力學性能——通過退火、正火、正火加回火、調(diào)質(zhì)等方法，來使得容器的某些材料特性發(fā)揮出來。如退火是通過降低壓力容器的硬度來實現(xiàn)便于加工，同時緩解殘余應力，穩(wěn)定尺寸；正火可以使晶粒細化，碳化物分布更加均勻，由于正火的冷卻速度較快，從而使得正火組織更加精細，因此壓力容器的機械性能也就更好；正火加回火可以更加有效的消除殘余應力，從而提高壓力容器的韌性和塑性。最后，壓力容器進行熱處理地位重要，這主要是因為壓力容器的應用廣泛，在能源、軍隊、科研以及石油化工等領域都擁有十分重要的應用，因此作為完善壓力容器性能的熱處理自然地位顯耀。

3.壓力容器焊后熱處理主要方法

壓力容器焊后熱處理的主要方法分為爐內(nèi)整體熱處理、整體熱處理、分段熱處理和局部熱處理幾種。其中爐內(nèi)整體熱處理是指將壓力容器放在密閉的爐內(nèi)進行加熱處理，其主要針對于需要進行焊后熱處理的容器，如高壓容器、中壓反應容器和儲存盛裝混合液化石油氣的臥式儲罐、移動式壓力容器等。而對于大型的壓力容器如大型球罐因體積問題無法在爐內(nèi)進行整體加熱處理，可采用內(nèi)燃法、熱風法和電熱等方式進行處理，也可以進行爐內(nèi)分段加熱處理。

結語：

綜上而言，熱處理是一種行之有效的改善和恢復金屬性能的方法，在容器的設計和制造中占據(jù)著十分重要的地位，所以設計人員應當根據(jù)具體情況進行認真分析研究，并依據(jù)相關標準選擇合適的熱處理辦法。

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5.作者簡介

錢洪田，男（1981年02月—），漢族，本科，于2003年畢業(yè)于中國石油大學（華東）過程裝備與控制工程專業(yè)，在中油遼河工程有限公司從事設計工作，工程師職稱。