壓力容器設(shè)計中的熱處理問題研究

郭曉慶

摘 要：自從我國施行了改革開放政策以后，我國發(fā)生了巨大的變化，經(jīng)濟快速發(fā)展起來，各行各業(yè)都迎來了新的發(fā)展階段，尤其是石油化學(xué)工業(yè)更是快速發(fā)展。現(xiàn)階段，壓力容器在石油化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，受化工生產(chǎn)介質(zhì)等特殊因素的影響，其中有毒有害氣體頗多，因此壓力容器的風(fēng)險性也隨之提高。壓力容器設(shè)計過程中，金屬材料選擇是否合理，金屬性能是否滿足要求，是否需要進行熱處理改善或恢復(fù)材料性能等問題是保證壓力容器安全運行的重要因素。本文詳細(xì)闡述了壓力容器進行熱處理的重要性，并對幾種常見熱處理方法進行了具體分析，希望為廣大從業(yè)人員提供借鑒。

關(guān)鍵詞：壓力容器;設(shè)計;熱處理

1 .壓力容器熱處理的目的性和意義

壓力容器是石油、化工、機械等行業(yè)等廣泛應(yīng)用的焊接結(jié)構(gòu)件，其運行條件苛刻，制造工藝復(fù)雜，如容器一旦破壞其后果嚴(yán)重。因此，為確保壓力容器的安全運行正確選擇材料并合理進行熱處理，對壓力容器的制造和使用尤為重要。金屬熱處理就是對固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM行加熱、保溫、冷卻以獲得重要的組織和性能的工藝。制造行業(yè)對金屬性能有兩方面的要求，首先要有良好的工藝性能，其中包括鑄造工藝性能和鍛壓工藝性能、焊接工藝性能、切削加工性能和熱處理工藝性能;其次要有良好的使用性能，就是運轉(zhuǎn)可靠、經(jīng)久耐用。這兩方面性能均與金屬材料的化學(xué)成分有關(guān)，然而在許多情況下單純靠調(diào)整金屬材料的化學(xué)成分無法滿足要求，因此為滿足金屬材料的加工和使用要求必須進行熱處理。

2 .熱處理工藝流程

金屬熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這三個過程互相銜接，不可間斷。加熱是熱處理的重要工序之一，嚴(yán)格控制加熱溫度是保證熱處理質(zhì)量的關(guān)鍵，加熱溫度隨被熱處理的金屬材料和熱處理目的不同而異，一般都是加熱到相變溫度以上，用來獲取高溫組織。需要注意的是組織轉(zhuǎn)變需要時間，當(dāng)金屬工件表面溫度達(dá)到熱處理溫度時，需要保溫一段時間，使內(nèi)外溫度一致，此時高溫組織得到充分轉(zhuǎn)化，這段時間稱為保溫時間。此外，若加熱速度較快且金屬材料內(nèi)外溫度相差不大，則可以省略保溫這一過程直接冷卻。冷卻是熱處理工藝中關(guān)鍵步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要控制冷卻的速度。冷卻速度有慢到快依次為退火、正火、淬火。受不同速率冷卻處理的影響，可以得到具有不同的物理性能工件，以保證在具體情況下更靈活地應(yīng)用在化工生產(chǎn)中。

3 .壓力容器熱處理的種類和作用

熱處理的種類很多，分類方法亦各不相同。壓力容器行業(yè)習(xí)慣依據(jù)其目的的不同，將常用的熱處理方法分為四大類，即焊后熱處理、恢復(fù)力學(xué)性能熱處理、改善力學(xué)性能熱處理及消氫熱處理。

3.1焊后熱處理（消除應(yīng)力熱處理）：

廣義地說，焊后熱處理就是在工件焊完之后對焊接區(qū)域或焊接構(gòu)件進行的熱處理。狹義地說，焊后熱處理僅指消除應(yīng)力退火，即為了改善焊接區(qū)的性能和消除焊接殘余應(yīng)力等有害影響，從而對焊接區(qū)及有關(guān)部位在金屬相變溫度點以下均勻而有充分地加熱，然后又均勻冷卻的過程。許多情況下所討論的焊后熱處理實質(zhì)上就是焊后消除應(yīng)力熱處理。焊后熱處理應(yīng)按規(guī)程操作，下圖為碳鋼、低合金鋼焊后熱處理操作曲線圖。焊后熱處理時間應(yīng)根據(jù)母材類別、組別確定。

焊接應(yīng)力的大小一般與如下三個方面因素有關(guān)：（1）材質(zhì)：隨著鋼材強度級別的提高及合金含量的增加，其焊接性能變差，在相同的焊接工藝條件下易產(chǎn)生焊接缺陷;（2）鋼材厚度：鋼材厚度越大，則意味著焊縫越深，焊縫冷卻后收縮的傾向越強，且剛性增大，抵抗局部收縮變形的能力越強，從而產(chǎn)生了較大的焊接殘余應(yīng)力;（3）預(yù)熱溫度：焊前預(yù)熱可減緩焊縫部位與其他部位的溫度梯度，能減緩高峰值焊接應(yīng)力的產(chǎn)生。GB150根據(jù)以上三點規(guī)定了需要進行焊后熱處理的焊接接頭厚度。

此外，GB150規(guī)定了如下兩種特殊條件下，不論壓力容器的材質(zhì)、厚度及預(yù)熱溫度如何，都應(yīng)進行焊后熱處理。一是圖樣注明有應(yīng)力腐蝕的容器，二是用于盛裝毒性為極度或高度危害介質(zhì)的碳鋼、低合金鋼制容器。應(yīng)力腐蝕引起的斷裂沒有宏觀變形，且具有突發(fā)性，裂紋往往會深入到金屬內(nèi)部，并且很難修復(fù)，有時會整臺報廢。在壓力容器設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)備選材、盛裝介質(zhì)毒性程度等方面著重考慮是否存在應(yīng)力腐蝕傾向，是否需要焊后熱處理以消除風(fēng)險。但應(yīng)力腐蝕又是個影響因素頗多、極其復(fù)雜的過程，不能用簡單的條款劃定。以盛裝液氨的容器為例：化學(xué)純（≥99.995% ）的液氨是不會引起應(yīng)力腐蝕的，只有工業(yè)純的液氨才可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，但如果在液氨中加入微量的水（≥0.2% ），則水作為緩蝕劑，可避免應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

3.2改善材料性能熱處理：

需要通過熱處理來達(dá)到材料的設(shè)計強度、韌性指標(biāo)的，如螺栓材料35CrMoA，原材料為熱軋狀態(tài)，圖樣要求使用狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)處理提高了材料的性能。

3.3恢復(fù)材料性能熱處理：

制造中因冷加工成形使材料發(fā)生較大變形或組織發(fā)生較大變化而影響材料微觀組織和力學(xué)性能時，或當(dāng)要求材料的使用熱處理狀態(tài)與供貨狀態(tài)一致，但在制造過程中破壞了材料的供貨熱處理狀態(tài)時，應(yīng)對受壓元件進行恢復(fù)材料性能熱處理。

3.4焊后消氫處理：

是指在焊接完成以后，焊縫尚未冷卻至100℃以下時，進行的低溫?zé)崽幚?。一般?guī)范為加熱到200～350℃，保溫2-6小時。焊后消氫處理的主要作用是加快焊縫及熱影響區(qū)中氫的逸出，對于防止低合金鋼焊接時產(chǎn)生焊接裂紋的效果極為顯著。

4. 總結(jié)

隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓力容器開始被廣泛應(yīng)用在我國多個行業(yè)，如石油化工生產(chǎn)行業(yè)、能源、醫(yī)學(xué)等行業(yè)中，相應(yīng)的對于壓力容器的質(zhì)量也有著更高的要求。在壓力容器制造過程中，熱處理技術(shù)具有十分重要的作用，通過熱處理可以提高壓力容器的性能，消除其應(yīng)力，發(fā)揮壓力容器的作用。在設(shè)計壓力容器過程中，一定要充分考慮材料性能，選擇合適的熱處理技術(shù)，同時還要不斷提高熱處理技術(shù)，進而提高壓力容器質(zhì)量和性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙芬香.壓力容器設(shè)計中的熱處理問題分析[J].技術(shù)管理，2014（14）.

[2] GB150.1～150.4-2011，壓力容器[S].