低溫壓力容器焊后熱處理的方法探究

摘要：隨著產(chǎn)業(yè)的細分和升級，當(dāng)前低溫壓力容器在化學(xué)、食品等加工產(chǎn)業(yè)廣為使用，因此壓力容器的安全性能必須在制作過程中得到保障，要嚴(yán)格按照生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)來保證壓力容器可靠、安全等性能達標(biāo)，本文就此展開探討。

關(guān)鍵詞：低溫壓力容器;焊后熱處理;方法

為了防止壓力容器在處于低溫中而導(dǎo)致的機器故障以及一系列嚴(yán)重的安全問題，進而造成災(zāi)難性的事故。這就要求工作人員在對壓力容器進行設(shè)計時，要將設(shè)計溫度和壓力作為重要條件來進行設(shè)計，綜合考慮設(shè)計的結(jié)構(gòu)、材料、溫度等等方面的因素。

一、設(shè)計溫度

設(shè)計溫度是工作人員在進行設(shè)計時應(yīng)該考慮的首要因素，根據(jù)相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計要綜合考慮介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度兩個方面，并且要做到具體問題具體分析。不同的環(huán)境中材料的選取、結(jié)構(gòu)的設(shè)計都有著很大的差別，一般來說，設(shè)計溫度以-20℃為標(biāo)準(zhǔn)，在溫度高于此標(biāo)準(zhǔn)或者低于此標(biāo)準(zhǔn)時，設(shè)計都存在著很大的差異，首先要在設(shè)計設(shè)備中明確設(shè)計的溫度，并且綜合考慮壓力因素，對環(huán)境因素、保溫工作、冷措施等等工作進行分析，在施工工程中針對于如何合理設(shè)計低溫壓力容器的溫度這一問題，我們從以下方面進行研究：

組件金屬沿截面厚度的平均溫度被稱作為金屬溫度系，而其兩側(cè)的流體溫度出現(xiàn)不一致時，計算其表面溫度時，可利用傳熱計算的模式算出，在實際的運算中，我們還應(yīng)該熟練掌握各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，具體的內(nèi)容有：通過流體與壁面間的給熱、組件金屬熱量傳導(dǎo)、污垢熱阻等，從而代入計算。然而，目前一些很多數(shù)據(jù)無法查出，比如介質(zhì)的傳熱系數(shù)K值、給熱系數(shù)α值等，因此，在實際的計算中以經(jīng)驗代入為主。針對當(dāng)前已經(jīng)有生產(chǎn)運行的同類容器，要想確實其受壓組件金屬溫度值往往是以實際測定的方式來完成。針對露天廠房或者是無采暖措施的廠房內(nèi)的容器，殼體金屬溫度需要考慮到環(huán)境氣溫條件給其帶來的影響。

二、材料選擇

要想提升低溫壓力容器的耐寒性能和整體質(zhì)量，就要從其使用的材料入手，盡量選取機械性能好的材料，尤其是在選擇金屬材料時，應(yīng)該選取耐寒性較強的金屬材料。一般的金屬材料在低溫的狀態(tài)下很容易發(fā)生斷裂，無法實現(xiàn)其工作效果，因此我們應(yīng)該想辦法提升金屬材料在低溫狀態(tài)下的韌性。例如，在煉鋼的過程中在材料中融入鎳這一金屬材料，這主要是因為鎳能夠在很大程度上改變位錯運動，避免應(yīng)力高度集中到一個部位，這樣可以有效提升金屬材料的韌性，我們還可以采用將鋼材料進行正火處理的方式來提升鋼材的韌性，因為在這個過程中，晶粒被細化，中軋溫度降低，冷卻速率發(fā)生改變，顯微組織可以實現(xiàn)均勻分布。由于金屬材料不同，我們在選取不同溫度、低溫壓力容器用鋼時可以分為以下幾種方式：

（1）設(shè)計的溫度低于-20℃，高于-40℃時，鋼材的選取通常以低碳錳鋼為主;（2）設(shè)計的溫度低于-40℃，高于196℃時，鋼材的選取通常以鎳鋼為主;（3）設(shè)計的溫度低于-196℃，高于-273℃時，鋼材的選取通常以鉻鎳奧式體高合金鋼為主。同時還應(yīng)該注意的是，碳素鋼以及低合金鋼合體鋼板的厚度如果有大于20mm的情況，需要進行超聲波檢驗，確保所使用的材料全部都能夠達到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，對于鉻鎳奧體高合金鋼，在使用之前要進行硬化，這樣有利于提升其強度。

三、低溫壓力容器的焊后熱處理

（一）整體的熱處理方法

（1）在固定爐中進行整體的熱處理，這種方式可以使材料均勻受熱，加熱的溫度保持穩(wěn)定，防止溫差過大導(dǎo)致的受熱不均勻等情況的發(fā)生，容易操作和控制，并且具有很好的保溫效果，這種方法在容器大小小于熱處理爐的低溫壓力容器中較為常用;（2）在固定爐中進行分段加熱，這種方法多用于長度較長的容器，一般將其分為兩段，選取其中的一段首先進行加熱，再加熱使另一個方向的材料受熱，在這個過程中，有1.5米左右的材料已經(jīng)經(jīng)歷了兩次加熱，因此對資源的耗費很大，對加熱的溫度也很難掌握;（3）在固定爐外進行熱處理，這種方法主要針對于一些大型的設(shè)備，這種方法的缺點有：溫度難以掌控、溫差不能調(diào)節(jié)、溫速難以掌握等等，且耗費燃料和電量。

（二）壓力容器熱處理

壓力容器和受壓組件在低溫的狀態(tài)下韌性降低，很容易發(fā)生斷裂，因此工作時人員應(yīng)該做好保險措施，首先要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求進行圖紙的設(shè)計，確認(rèn)設(shè)計科學(xué)合理后再進行焊接處理。焊后熱處理的方式主要有內(nèi)熱處理、分段熱處理以及整體爐外熱處理，一般來說我們常采用爐內(nèi)熱處理這種方式，爐內(nèi)熱處理的步驟是：先將爐內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度，保證爐內(nèi)的溫差不要太大，受熱要均勻，火焰不能夠直接噴射到鋼材上;分段熱處理是將材料以分段的方式進行處理，使?fàn)t內(nèi)的溫度保持在一定的范圍內(nèi)，防止溫度的梯度變化對材料性能產(chǎn)生較大的影響;在使用整體爐外熱處理方法進行處理時，應(yīng)該綜合考慮多種方面的因素，例如氣溫、環(huán)境等等，排除不利影響，在處理的過程中還要采取多種措施來保證材料均勻受熱，溫度穩(wěn)定，避免被加熱件、支撐結(jié)構(gòu)等因為熱脹冷縮造成壓力組件變形。

（三）焊后熱處理的質(zhì)量

質(zhì)量的控制是熱處理的核心階段，低溫鋼壓力容器在焊接后會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，進而導(dǎo)致材料在低溫的情況下韌性減弱，很容易發(fā)生斷裂的情況，而焊后熱處理的方式能夠使焊后的應(yīng)力發(fā)生減弱，對金屬焊縫中的參與氫氣進行清除，對熱影響區(qū)和加工變形區(qū)的組織進行軟化，在很大程度上提升了低溫鋼壓力容器在低溫中耐寒性能，因此，焊后熱處理這種方式對低溫鋼壓力容器具有重要意義，能夠有效提升其整體的質(zhì)量，焊后熱處理的方法有很多，主要有局部熱處理、爐整體熱處理、副爐熱處理、整體內(nèi)部熱處理四種。其中使用最為廣泛的是整體熱處理這種方法，能夠有效消除金屬焊縫中的氫氣，有研究表明，整體熱處理對氫氣的清除范圍達到90%以上。焊后熱處理的有效進行需要綜合考慮各個方面的因素，例如材料、尺寸、加熱手段等等，還應(yīng)該對保溫的溫度進行嚴(yán)格的把控，保溫的溫度范圍應(yīng)該低于轉(zhuǎn)變點且高于再結(jié)晶溫度，促進有效的回復(fù)和再結(jié)晶消除晶格畸變和硬化結(jié)構(gòu)，使集聚的應(yīng)力完全被釋放，這樣即使在低溫的狀態(tài)下，壓力容器的韌性也能保持良好，不會發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。保溫的時間是焊后熱處理的另一個重要控制因素，要嚴(yán)格的按照相關(guān)的要求標(biāo)準(zhǔn)掌控好溫度差，對殘余的應(yīng)力進行消散，而保溫時間的長短對于應(yīng)力的消散具有重要意義，保溫時間越長，應(yīng)力消除的就越徹底。加熱和冷卻的速度：加熱和冷卻的速度和聲很對因素都有關(guān)，例如鋼合金元素和其厚度、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度與其成反比，溫差過大會產(chǎn)生新的應(yīng)力，要實事求是，具體問題具體分析，根據(jù)焊接的工藝和具體流程來進行選擇。

（四）爆炸復(fù)合材料其他形式的熱處理

不同的材質(zhì)、性能、組織狀態(tài)和結(jié)構(gòu)等等當(dāng)面的因素，爆炸復(fù)合材料也能夠和需要進行除退火以外的其他形式的熱處理，常見的有淬火、回火、正火等等。和退火的目的不同，以上這幾種形式可以使材料的某些物理、化學(xué)性能得到穩(wěn)固。舉個例子，熱軋制的不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）-普通鋼（A3）復(fù)合板。在經(jīng)過正火以后，可以有效增強這種材料的耐腐蝕性能，而合金鋼-普通鋼復(fù)合板在經(jīng)歷了淬火后，其硬度得到了很大的提升，鋁合金的復(fù)合板在經(jīng)歷回火后，強度有了很大程度上的提升。所以，熱處理這種方式對基材的影響雖然不大，但是為這些材料后續(xù)的化學(xué)、物理性能的提升提供的良好的基礎(chǔ)，使后續(xù)的加工工序更加方便。

綜上所述，在實際的處理過程中，工作人員還應(yīng)該具體問題具體分析，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行完善，在處理工作開始之前做好相關(guān)的準(zhǔn)備工作，針對性的了解產(chǎn)品的性能，對各項產(chǎn)品的參數(shù)進行出來了時要謹(jǐn)慎仔細，還要在結(jié)束后進行嚴(yán)格的復(fù)查，確定其符合標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足任務(wù)處理的效果。

參考文獻：

[1]楊昆山.低溫壓力容器焊后熱處理的方法探究[J].云南化工，2018（8）：204-206.

[2]蔡和僑.低溫壓力容器焊后熱處理的方法探究[J].世界有色金屬，2018（5）：275+277.

作者簡介：

薛鋼，沈陽東方鈦業(yè)股份有限公司。