焊接及熱處理對壓力容器焊縫力學(xué)性能的影響分析

符國強(qiáng)

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活水平不斷提高，所需能源也逐漸增大。壓力容器是盛裝氣體或者液體的密閉設(shè)備，在各領(lǐng)域應(yīng)用的非常廣泛，如石油化學(xué)工業(yè)、能源工業(yè)、軍事科研等國民經(jīng)濟(jì)的各個部門。由于壓力容器密封、承壓及介質(zhì)等原因，容易發(fā)生燃燒、爆炸，危及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，容易造成環(huán)境污染。這就需要在生產(chǎn)制作工藝上，一定要注意壓力容器的焊接和焊后熱處理工作，對壓力容器焊縫要選定較優(yōu)的熱處理工藝，對其性能較差的重新進(jìn)行熱處理，改善其力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：焊接及熱處理 壓力容器焊縫 力學(xué)性能

1 概述

通常，壓力容器都承受著巨大的氣體或者液體壓力，其力學(xué)性能在不同的環(huán)境溫度下，承載著各種外加負(fù)荷，使壓力容器的力學(xué)性能發(fā)生一些變化，如強(qiáng)度、脆度、硬度、彈性、疲勞強(qiáng)度等。如果壓力容器焊縫處理工藝不當(dāng)，壓力容器的質(zhì)量無法得到保證，威脅著國家和人身安全。筆者從事機(jī)械加工、金屬熱處理、鋼結(jié)構(gòu)制作等工作多年，同時還在壓力容器現(xiàn)場進(jìn)行管理指導(dǎo)、駐廠監(jiān)檢，在焊接和熱處理工藝對壓力容器焊縫的力學(xué)性能的影響方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。

2 模擬試板熱處理實(shí)驗(yàn)及采取的對策（圖1）

制作壓力容器模擬試板，將其放在柴油爐中進(jìn)行熱處理。把熱處理的最高溫度調(diào)至（600±20）℃，起控溫度≤350℃，逐漸升溫至最高熱處理溫度。在爐冷那段區(qū)域中，由于實(shí)驗(yàn)人員的操作不當(dāng)，開過一次爐門，導(dǎo)致溫度下降過快，使溫度曲線不準(zhǔn)確（如圖1所示）。

因此，在對壓力容器測量溫度時，柴油爐要進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)，更換新的燃油噴嘴，使其調(diào)整到最佳狀態(tài)。溫度記錄儀選用比較先進(jìn)的產(chǎn)品，并調(diào)整變速器到30mm/h，使其記錄的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，能真實(shí)詳細(xì)地反映壓力容器熱處理的實(shí)際情況。

同時，壓力容器溫度也應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的控制，使其能均勻的同步升降溫。一般是微調(diào)閥門，防止由于溫度急劇上升或者下降造成壓力容器焊縫變形，采取每升20℃到30℃進(jìn)行一次溫度調(diào)節(jié)，盡量縮小壓力容器的溫差，這樣才能有效地提高壓力容器的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能，保證壓力容器的質(zhì)量。

3 焊接技術(shù)和熱處理工藝對壓力容器焊縫力學(xué)性能的影響

3.1 焊接技術(shù)

在壓力容器制造環(huán)節(jié)，焊接是最重要的工序之一，焊接的質(zhì)量好壞直接關(guān)系了壓力容器的質(zhì)量。壓力容器焊接過程中，最主要的焊接參數(shù)的焊接電流及種類、焊接速度、電壓、預(yù)熱溫度等方面，另外次要的參數(shù)還包括焊絲直徑、焊絲傾角、焊絲與焊件的相對位置等。通常來說，焊接電流、速度和電壓能綜合的考評壓力容器焊縫的強(qiáng)度、硬度、延展性、塑性等力學(xué)性能。

另一方面，合理的匹配這些參數(shù)可以使壓力容器形成良好無缺的焊縫，提高了壓力容器的力學(xué)性能，保證了壓力容器的質(zhì)量。

但是目前，我國在處理壓力容器焊縫的時候，經(jīng)常會遇到焊縫余高超標(biāo)的現(xiàn)象發(fā)生。在一定的條件下，焊接電流過大，使焊絲快速熔化，焊縫的余高就增加；電壓在降低時，焊絲溶化的溫度就會降低，焊縫余高變得高而窄；如果焊接速度減小，焊接時不能及時的使焊絲和焊件分離，造成壓力容器焊縫余高增加。

另一方面，焊絲伸出的長度、焊件的角度會因?yàn)檩^大的電流產(chǎn)生的高電阻熱，加快焊絲熔化的速度，在壓力容器焊縫進(jìn)行上坡焊的過程中，隨著焊件傾斜度的增加，壓力容器焊縫的余高也會明顯增加。這就使得壓力容器的焊接質(zhì)量不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，不僅浪費(fèi)了焊接材料，還威脅著國家和社會的穩(wěn)定發(fā)展。

因此，在壓力容器焊縫的處理中，尤其要注意焊縫的余高要控制在≤1.5mm，焊縫寬約23mm。這就要求工作人員在焊接過程中，一定要嚴(yán)格的控制焊接電流、電壓和速度，根據(jù)壓力容器的實(shí)際用途和特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的參數(shù)，加強(qiáng)壓力容器的力學(xué)性能。焊接時應(yīng)該調(diào)整焊絲和焊件的相對位置，對開坡口的角度加以控制，注意筒體回圓的質(zhì)量要求。焊接工作人員在焊接時，應(yīng)該加強(qiáng)對其的觀察情況，做好焊接記錄，發(fā)現(xiàn)問題及時分析處理，確保壓力容器的質(zhì)量達(dá)到要求和標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 熱處理工藝

壓力容器在制造中，由于操作不當(dāng)或者過量的冷卷等冷加工引起硬化。壓力容器在焊接時，母材相鄰區(qū)域產(chǎn)生的溫差大于100℃，在溫度急劇下降時，壓力容器的制造材料會引起不均勻的塑性應(yīng)變，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，影響壓力容器的使用性能。為了使內(nèi)應(yīng)力均勻分布，一般都是采用機(jī)械震動法，但是壓力容器中潛在許多焊縫區(qū)的冶金損傷，如果采用此方法，可能會出現(xiàn)很多麻煩。因此可以使用焊后熱處理的方法，它可以緩和焊接殘余應(yīng)力，改善因焊接溫度導(dǎo)致的硬化催化，同時提高壓力容器焊縫的延展性和韌性等力學(xué)性能。

焊后熱處理工藝是對壓力容器焊縫焊接完成后對焊接區(qū)域進(jìn)行熱處理的過程。對于消除壓力容器焊縫焊接殘余應(yīng)力通常的方法是高溫回火，使彈性形變減少，塑性逐漸增加，迫使應(yīng)力降低。采用焊后熱處理（PWHT）工藝，可以穩(wěn)定壓力容器的形狀和尺寸，提高壓力容器焊縫金屬的塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能，同時進(jìn)一步釋放焊縫金屬中的有害物質(zhì)，防止延遲裂紋的發(fā)生。在判斷壓力容器焊縫是否需要進(jìn)行熱處理時，應(yīng)該從壓力容器的用途、壁板厚度和材料的性能等考慮。以下總結(jié)出了一些需要焊后熱處理的情況：

①壁板厚度超過一定標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器。

②應(yīng)力腐蝕開裂存在危險(xiǎn)的壓力容器。

③尺寸穩(wěn)定性比較高的壓力容器。

④在低溫下發(fā)生脆性斷裂的厚壁壓力容器等。

一般來說，產(chǎn)品試版在進(jìn)行熱處理時，最高溫度保持在（600±20）℃，這樣比較容易取得最佳的熱處理效果。任何事物都存在兩面性，焊后熱處理工藝也是如此，焊后熱處理在非常嚴(yán)格的要求下，有利于內(nèi)應(yīng)力均勻分布，進(jìn)一步緩和殘余應(yīng)力，但是對熔敷金屬和焊接區(qū)域的韌性的提高有阻礙作用。所以，在利用焊后熱處理時，必須首先考慮焊件在高溫下的承受能力，科學(xué)合理的進(jìn)行判斷，綜合各方面的基礎(chǔ)工作有序的進(jìn)行，進(jìn)一步提高壓力容器焊縫的力學(xué)性能。

3.3 生產(chǎn)現(xiàn)場的管理

壓力容器的生產(chǎn)制造中，對設(shè)備和人員的管理是一項(xiàng)非常重要的工作。對于焊接設(shè)備，如焊機(jī)、焊接工藝裝備和焊接輔助器具等焊件，熱處理設(shè)備，如加熱爐等，都需要企業(yè)進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)，延長其使用壽命，減小企業(yè)成本。企業(yè)應(yīng)該培養(yǎng)一支高技術(shù)、高素質(zhì)的人才隊(duì)伍，能熟練的掌握壓力容器焊縫的焊接和熱處理過程，提高壓力容器焊縫的力學(xué)性能，使企業(yè)的利益最大化。

4 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，壓力容器應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛。在對壓力容器焊縫的焊接和熱處理的工藝中，一定要注意正確的方法，使壓力容器焊縫的力學(xué)性能提高，保證壓力容器的質(zhì)量，為國家和社會作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李煜.復(fù)合鋼板壓力容器焊縫高溫蠕變研究[D].太原理工大學(xué)，2010.

[2]李煜，段滋華，來誠鋒.復(fù)合鋼板壓力容器焊縫界面高溫蠕變研究[J].化工機(jī)械，2009，02：93-95+119.

[3]楊國軍.壓力容器焊縫及其附近微裂紋的檢測[J].制造業(yè)自動化，2010，14：17-18+22.

[4]屈念文.關(guān)于壓力容器焊縫以及其附近微裂紋檢測的分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012，30：73-75.

[5]程東亮.焊接及熱處理對2205雙相不銹鋼焊接接頭腐蝕行為的影響[D].江蘇科技大學(xué)，2012.