熱處理技術在石油壓力容器及管件中的應用

劉明生　張帥

摘要：熱處理是決定產品性能、壽命和可靠性的關鍵，熱處理水平是制造業競爭力的核心要素.在闡述金屬材料常見的熱處理方法的基礎上，重點對熱處理技術在壓力容器和管件的主要運用進行了相關分析，指出了對于金屬結構件實施合理的熱處理是挖掘材料性能潛力、提高產品性能的重要加工技術手段。

關鍵詞：熱處理技術；石油工業；壓力容器；管件

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：B

引言

當今社會，金屬材料的應用十分廣泛。在裝備制造、建筑、石油、化工以及冶金等行業都得到了廣泛的應用。隨著科學技術的發展，人們對金屬材料的性能要求越來越高。為此，對金屬材料進行適當的熱處理，以提高其使用性能和工藝性能就顯得尤其重要。

我廠主要從事壓力容器及其它非標設備制造、長輸管道施工以及各種大小口徑熱煨彎管的生產。在這些設備和零部件的加工過程中，由于各種不同的加工工藝如鑄造、切削加工、焊接、裝配等都會產生不同程度的殘余應力，構件中的殘余應力大多數表現出很大的危害作用；如使構件的強度降低、降低工件疲勞極限、造成應力腐蝕和脆性斷裂，由于殘余應力的松弛，使構件產生變形，影響了構件的尺寸精度；而且鋼從熱變形加工冷卻下來時，由于溶解在鋼中的氫析出而導致內部開裂。這對于工件、設備的加工和使用來說都是致命的危害，解決這些問題方便有效的辦法就是熱處理，所以做好熱處理工作對于我廠的整個生產發展也是相當重要的。

1 石油壓力容器及管件應具備的主要性能

金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能兩方面。

（1）使用性能。是保證工件的正常工作應具備的性能，主要包括力學性能、物理性能、化學性能等。

（2）工藝性能。是材料在被加工過程中適應各種冷熱加工的性能，包括鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、熱處理性能、切削加工性能等。金屬材料的工藝性能不是一成不變的，可以通過改進工藝規程、選用合適的熱處理方法等措施來改善。

2 金屬材料常用的熱處理方法

熱處理按用途可分為中間熱處理和最終熱處理。中間熱處理目的是改善材料工藝性能，方便加工。最終熱處理的目的是使產品獲得所需要的使用性能。熱處理按性質一般可分為3大類，即普通熱處理、形變熱處理和化學熱處理。普通熱處理只改變組織結構而不改變材料的成分；形變熱處理也不改變材料的成分，它把形變強化和熱處理強化結合起來以獲得更好的性能；化學熱處理既改變材料的成分也改變材料的組織結構。

熱處理是一種重要的成型加工手段，它不僅能夠方便加工，降低生產成本，充分發揮材料性能潛力，甚至是有些產品成型的必不可少的手段。為獲得好的工藝性能而實施的中間熱處理一般安排在加工過程中實施。為獲得好的使用性能而實施的最終熱處理一般安排在加工過程最后工序實施。

金屬材料對熱處理工藝的適應性稱為熱處理性能，它包括淬透性、淬硬性、變形開裂傾向、過熱敏感性、回火脆性傾向、氧化脫碳傾向等，而有些金屬材料沒有固態相變，熱處理不能強化。

2.1退火

退火目的是消除材料的內應力，降低硬度，提高塑性，細化組織，均勻化學成分，以利于沖壓、折彎、拉伸或切削、磨、鏜以及熱處理等加工，并為最終熱處理做好組織淮備。根據退火時處理組織結構的變化，退火常分為完全退火、球化退火、再結晶退火、去應力退火和擴散退火等。

1）完全退火。主要用于冷壓力加工前調整塑性，適用于亞共析鋼及其合金鋼，但不能用于過共析鋼。

2）球化退火。主要目的是消除材料的內應力、降低硬度、提高塑性、細化組織、均勻化學成分，另外，還可使滲碳體呈球狀，以改善切削加工性，并為以后的淬火作好組織上的準備。球化退火的關鍵在于加熱溫度不能過高。鋼件在球化退火前應作金相組織檢查，若原始組織上存在嚴重的滲碳體，應采用正火工藝將其消除后才能進行球化退火。

3）再結晶退火。主要用于消除加工硬化現象和恢復材料的塑性。再結晶退火溫度一般為650～6800C。

4）去應力退火。主要目的是消除鑄、鍛件和焊接件的殘余內應力，降低硬度，改善切削加工性能。去應力退火溫度控制在550～6500C，對于厚大的焊接件，視工件的最大厚度計算，最高加熱溫度可以達到7000C。

5）擴散退火。主要用于消除化學成分的不均勻性。是一種耗時長、費用高的熱處理操作，一般只用于處理優質鋼、鑄錠或鑄件。

2.2正火

正火的效果同退火相似，其主要作用有：

1）對于低碳鋼，正火代替退火，改善切削加工性能。

2）對于過共析鋼，消除網狀碳化物為球化退火作準備。作為中碳鋼、合金鋼淬火前的熱處理，以減少淬火缺陷；

3）對于淬火返修件，消除內應力和細化組織，以防重淬火時產生變形與裂紋。

4）對于大型、重型及形狀復雜零件或性能要求不高的普通結構零件作為最后熱處理，以提高力學性能。

2.3淬火

淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質中快速冷卻的一種熱處理工藝。目的是為了獲得Ms組織，以提高強度和硬度。由于淬火時，馬氏體轉變屬于非擴散型轉變，對于Mz點在室溫以下的鋼，將有一部分A'，為此需要進行冷處理以消除或減少A'組織。

2.4回火

其主要目的是消除或減小零件的淬火應力，適當降低硬度，以獲得高的綜合力學性能，穩定組織，改善切削性能。按照回火溫度的不同分為：低溫回火、中溫回火和高溫回火。其中調質處理就是淬火+高溫回火。鋼經調質處理后，鋼的硬度較低，便于切削加工達到較好的表面質量。中碳鋼常用調質處理改善切削性能。調質處理也可作為表面淬火和化學熱處理的預備熱處理。

3 熱處理在壓力容器和管件的主要運用

3.1焊前預熱

焊前預熱和焊后回火是改善金屬材料焊接性能的重要手段，馬氏體型不銹鋼具有強烈的淬硬和冷裂傾向，含碳越高越敏感，焊前預熱是防止其產生裂紋的有效措施，重要構件的焊接、合金鋼的焊接及厚部件的焊接，都要求在焊前必須預熱。

1）預熱能減緩焊后的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，避免產生氫致裂紋。同時也減少焊縫及熱影響區的淬硬程度，提高了焊接接頭的抗裂性。

2）預熱可降低焊接應力。

3）預熱可以降低焊接結構的拘束度，對降低角接接頭的拘束度尤為明顯，隨著預熱溫度的提高，裂紋發生率下降。

3.2焊后熱處理

焊后熱處理的目的有三個：除氫、消除焊接應力、改善焊縫組織和綜合性能。

1） 焊后除氫處理。是指在焊接完成以后，焊縫尚未冷卻至100℃以下時，進行的低溫熱處理。焊后除氫處理的主要作用是加快焊縫及熱影響區中氫的逸出，對于防止低合金鋼焊接時產生焊接裂紋的效果極為顯著。

2）去應力熱處理。在焊接過程中，由于加熱和冷卻的不均勻性，以及構件本身產生拘束或外加拘束，在焊接工作結束后，在構件中總會產生焊接應力。焊接應力在構件中的存在，會降低焊接接頭區的實際承載能力，產生塑性變形，嚴重時，還會導致構件的破壞。

去應力熱處理是使焊好的工件在高溫狀態下，其屈服強度下降，來達到松弛焊接應力的目的。常用的方法有兩種：一是整體高溫回火，即把焊件整體放入加熱爐內，緩慢加熱到一定溫度，然后保溫一段時間，最后在空氣中或爐內冷卻。用這種方法可以消除80%-90%的焊接應力。另一種方法是局部高溫回火，即只對焊縫及其附近區域進行加熱，然后緩慢冷卻，降低焊接應力的峰值，使應力分布比較平緩，起到部分消除焊接應力的目的。

3）有些合金鋼材料在焊接以后，其焊接接頭會出現淬硬組織，使材料的機械性能變壞。此外，這種淬硬組織在焊接應力及氫的作用下，可能導致接頭的破壞。如果經過熱處理以后，接頭的金相組織得到改善，提高了焊接接頭的塑性、韌性，從而改善了焊接接頭的綜合機械性能。

3.3化學熱處理

4 結語

2）熱處理可以改善材料工藝性能，它也是焊接、表面處理的重要工序之一。根據產品的結構和材料性能特點，以及最佳的成型工序，運用適當的熱處理獲得某種最佳的工藝性能，可以節省加工成本，提高加工質量，達到事半功倍的效果。

3）在設計熱處理工藝時，應注意材料性能和熱處理過程的特點，防止熱處理本身帶來的問題，消除加工過程中的質量隱患。

參考文獻

[1]熱處理手冊編委會. 熱處理手冊[M]（第2卷）.北京：機械工業出版社，1991.

[2]彭其鳳.熱處理工藝及設計[M].上海：上海交通大學出版社，1994.

[3]安運錚.熱處理工藝學[M] .北京：機械工業出版社，1982

[4]呂燁，許德珠.機械工程材料[M].北京：高等教育出版社，2008

[5] 林曉斌 .零件失效分析和抗疲勞設計 [J].熱處理，2011，26（2）：59-64

[6]劉宗昌 .淬火開裂及防止方法 [J].熱處理，2010，25（3）：72-79

[7]劉明生.壓鑄模制造與相關的熱處理工藝[J].新技術新工藝，2008（4）：76-78

作者簡介：

劉明生（1966-），男，重慶市人，副教授/工程師，主要研究方向：機電一體化技術與材料成型控制。