壓力容器設計中的熱處理問(wèn)題分析

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一、簡(jiǎn)述熱處理技術(shù)原理

金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定的時(shí)間，又以不同速度冷卻的一種工藝。它是機械制造中重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過(guò)改過(guò)工件內部的顯微組織或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成型工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。金屬熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程相互銜接，不可間斷。加熱是熱處理的重要工序之一，方法很多。加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數之一。選擇和控制加熱溫度是保證熱處理質(zhì)量的主要問(wèn)題。加熱溫度隨被熱處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織。另外轉變需要一定的時(shí)間，因此，當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時(shí)，需在此溫度保持一定時(shí)間，使內外溫度一致，使顯微組織轉變完全，這段時(shí)間稱(chēng)為保溫時(shí)間。冷卻是熱處理工藝過(guò)程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要控制冷卻速度。一般退火冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。但還因鋼種的不同而有不同的要求。

二、壓力容器焊后熱處理的必要性和目的

壓力容器設計依據是給定的工藝尺寸和工作條件，考慮制造和安裝檢修的要求，對壓力容器各個(gè)元件正確的選擇材料全面地進(jìn)行載荷分析、應力分析。選擇合理的結構型式，并確定既安全可靠又經(jīng)濟合理的強度尺寸。它通常在苛刻的操作條件下，長(cháng)期連續工作的，一臺壓力容器的失效甚至一個(gè)零件的破壞，往往導致整套裝置的停工，以致給國家財產(chǎn)和人員安全造成嚴重損失，因而，保證壓力容器的長(cháng)期安全運行對石油化學(xué)等過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)具有非常重要的意義。壓力容器的安全性首先決定于材料的選擇，而金屬材料的性能不僅與其化學(xué)成分、金相組織有關(guān)，而且與熱處理狀態(tài)緊密相關(guān)，熱處理是改善金屬材料及其制品性能的重要工序。GB150明確規定了各種壓力容器鋼板在其使用中的熱處理狀態(tài)。如：熱軋狀態(tài)、正火狀態(tài)、回火狀態(tài)、正火+ 高溫回火狀態(tài)、調質(zhì)狀態(tài)、固溶狀態(tài)和穩定化狀態(tài)。壓力容器熱處理效果的優(yōu)劣，將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

三、熱處理的種類(lèi)和作用

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

在壓力容器行業(yè)中，通常所說(shuō)的焊后熱處理是指為改善焊接接頭的組織和性能，消除焊接殘余應力等影響，將焊接接頭及其鄰近局部在金屬相變點(diǎn)以下均勻加熱到足夠高的溫度，并保持一定的時(shí)間，然后緩慢冷卻的過(guò)程，稱(chēng)為“消除應力退火”或“消除應力熱處理”。在壓力容器技術(shù)文件和標準中的焊后熱處理，主要指“消除應力熱處理。”消除應力熱處理可以松弛焊接殘余應力，軟化淬硬區，改變組織形態(tài)，減少含氫量，尤其是提高某些鋼種的沖擊韌性，改善力學(xué)性能。

四、需進(jìn)行焊后熱處理的條件

在壓力容器設計中，應科學(xué)設定設備是否需要進(jìn)行焊后熱處理。因容器的焊后熱處理需要大型熱處理裝備，消耗大量能源，應綜合考慮容器的安全性與經(jīng)濟性。目前，人們雖然已認識到過(guò)大的焊接應力會(huì )對容器的安全產(chǎn)生危害，但由于多種因素交互影響的復雜性，尚難判斷將焊接應力限制在什么水平下是適宜的。

因此，國內外標準只能通過(guò)材質(zhì)、厚度、預熱溫度以及運行條件等因素，來(lái)判定壓力容器是否需要進(jìn)行焊后熱處理。GB150等將判斷條件分為兩類(lèi)，一類(lèi)是對所有鋼制壓力容器都適用的“通用條件”，另一類(lèi)是針對某些特定工況的“特殊條件”。

需進(jìn)行焊后熱處理的“通用條件”：焊接應力的大小一般與如下三個(gè)方面因素有關(guān)：（1）材質(zhì)：隨著(zhù)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(zhù)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力；（3）預熱溫度：焊前預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力的產(chǎn)生。基于以上三點(diǎn)，GB150等標準依據各種材質(zhì)、厚度以及預熱溫度設定壓力容器需進(jìn)行焊后熱處理的條件。

需要焊后熱處理的“特殊條件”：GB150規定了如下兩種特殊條件下，不論壓力容器的材質(zhì)、厚度及預熱溫度如何，都應進(jìn)行焊后熱處理。一是圖樣注明有應力腐蝕的容器。二是圖樣注明承裝毒性為極度或高度危害介質(zhì)的容器。這主要從萬(wàn)一發(fā)生事故的災難性后果考慮。因為焊接殘余應力對容器的主要危害是在特定的介質(zhì)工況下引起應力腐蝕開(kāi)裂。應力腐蝕是個(gè)影響因素頗多、極其復雜的過(guò)程，不能用簡(jiǎn)單的條款劃定。以盛裝液化石油氣的容器為例：液化石油氣中含有H2S雜質(zhì)會(huì )對鋼材會(huì )產(chǎn)生應力腐蝕，而純凈的液化石油氣（如丙烷、丁烷）是不會(huì )產(chǎn)生應力腐蝕。H2S對鋼材的應力腐蝕除與其濃度有關(guān)外，還和其含水量有關(guān)，只有濕H2S才能產(chǎn)生應力腐蝕，濕H2S的應力腐蝕還和溫度、介質(zhì)的ph 值、鋼材的含碳量、以及焊接應力大小等諸多因素相關(guān)聯(lián)。再以盛裝液氨的容器為例：化學(xué)純（≥99.995% ）的液氨是不會(huì )引起應力腐蝕的，只有工業(yè)純的液氨才可能產(chǎn)生應力腐蝕，但如果在液氨中加入微量的水（≥0.2% ），則水作為緩蝕劑，可避免應力腐蝕的發(fā)生。此外，液氨的應力腐蝕還和材質(zhì)的強度級別有關(guān)。綜上所述，應力腐蝕狀況復雜，影響因素多，這就需要設計者依據工況條件、壓力容器的具體情況以及國內外的運行經(jīng)驗進(jìn)行綜合判斷。

五、奧氏體不銹鋼制壓力容器的焊后熱處理

奧氏體高合金鋼經(jīng)焊后熱處理雖可以減小殘余應力，降低應力腐蝕開(kāi)裂敏感性，但焊后熱處理不當時(shí)又會(huì )加劇晶間腐蝕和σ相析出造成脆化。，焊后熱處理是否對奧氏體高合金鋼的安全使用性能產(chǎn)生影響尚不清楚，各國標準、規定原則上不做焊后熱處理。GB150等標準規定：除圖樣另有規定，奧氏體不銹鋼的焊接接頭可不進(jìn)行熱處理。然而由于抗應力腐蝕要求，或復合鋼板基層需要一定要進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，應特別注意防止奧氏體不銹鋼母材和焊縫中鉻的碳化物(Cr23C6)的析出和形成σ相，其有效預防方法就是對于抗腐蝕性能要求較高的設備進(jìn)行固溶處理。這就要求我們壓力容器設計者要具體問(wèn)題具體分析，謹慎選擇奧氏體高合金鋼焊后熱處理，及熱處理的具體注意事項。

六.焊后熱處理的方法

壓力容器及其零件的焊后熱處理方法，主要有爐內整體熱處理、分段爐內熱處理、局部熱處理及現場(chǎng)熱處理四大類(lèi)。壓力容器設計時(shí)，在可能條件下優(yōu)先選用爐內整體熱處理。

爐內整體熱處理是將工件整體放入爐內加熱的方法，由于工件在爐內受熱均勻，溫度及升、降溫度速度易于控制，效果較好。

分段爐內熱處理是因工件過(guò)大，受加熱爐尺寸限制，只能采取分段的辦法進(jìn)行熱處理。分段爐內熱處理有兩大技術(shù)關(guān)鍵，一是確定工件重復加熱長(cháng)度—GB150要求容器需要加熱的長(cháng)度不小于1500m m 。二是采取合適的工件裸露在爐外部分的保溫措施，以免容器爐內、外溫度梯度過(guò)大。

局部熱處理的技術(shù)關(guān)鍵在于熱處理裝置要有足夠的功率和準確的溫度控制、足夠的加熱寬度以及適當的保溫措施。

現場(chǎng)熱處理亦稱(chēng)整體爐外焊后熱處理。壓力容器由于制造或運輸的原因需要使用現場(chǎng)組焊，如高塔和球罐等。整體爐外焊后熱處理，是將壓力容器的殼體作為高溫加熱爐的爐體，在容器殼體內部加熱，殼體外部用保溫材料保溫。目前該種方法在我國已日臻成熟，但受天氣影響，雨雪、大風(fēng)都給熱處理效果造成不良影響。

結束語(yǔ)

綜上所述，壓力容器技術(shù)是一門(mén)綜合性的科學(xué)技術(shù)，壓力容器是為工藝過(guò)程服務(wù)的，他的安全運行涉及國家財產(chǎn)和人民生命安全。所以對壓力容器的設計提出了越來(lái)越高的要求，熱處理技術(shù)是壓力容器設中的一個(gè)重要環(huán)節，所以在設計過(guò)程中一定引起高度重視。