焊接及熱處理對壓力容器焊縫力學性能的影響分析

符國強

摘要：隨著社會經(jīng)濟的發(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備，在各領域應用的非常廣泛，如石油化學工業(yè)、能源工業(yè)、軍事科研等國民經(jīng)濟的各個部門。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行熱處理，改善其力學性能。

關鍵詞：焊接及熱處理 壓力容器焊縫 力學性能

1 概述

通常，壓力容器都承受著巨大的氣體或者液體壓力，其力學性能在不同的環(huán)境溫度下，承載著各種外加負荷，使壓力容器的力學性能發(fā)生一些變化，如強度、脆度、硬度、彈性、疲勞強度等。如果壓力容器焊縫處理工藝不當，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)場進行管理指導、駐廠監(jiān)檢，在焊接和熱處理工藝對壓力容器焊縫的力學性能的影響方面有著豐富的經(jīng)驗。

2 模擬試板熱處理實驗及采取的對策（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，由于實驗人員的操作不當，開過一次爐門，導致溫度下降過快，使溫度曲線不準確（如圖1所示）。

因此，在對壓力容器測量溫度時，柴油爐要進行定期的維護保養(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)更加準確，能真實詳細地反映壓力容器熱處理的實際情況。

同時，壓力容器溫度也應該進行嚴格的控制，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度、硬度等力學性能，保證壓力容器的質(zhì)量。

3 焊接技術和熱處理工藝對壓力容器焊縫力學性能的影響

3.1 焊接技術

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度、硬度、延展性、塑性等力學性能。

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、焊件的角度會因為較大的電流產(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)量不能達到標準，不僅浪費了焊接材料，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，一定要嚴格的控制焊接電流、電壓和速度，根據(jù)壓力容器的實際用途和特點，選擇相應的參數(shù)，加強壓力容器的力學性能。焊接時應該調(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，應該加強對其的觀察情況，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)量達到要求和標準。

3.2 熱處理工藝

壓力容器在制造中，由于操作不當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變，產(chǎn)生殘余應力，影響壓力容器的使用性能。為了使內(nèi)應力均勻分布，一般都是采用機械震動法，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力，改善因焊接溫度導致的硬化催化，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)域進行熱處理的過程。對于消除壓力容器焊縫焊接殘余應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、疲勞強度等力學性能，同時進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行熱處理時，應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準的壓力容器。

②應力腐蝕開裂存在危險的壓力容器。

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格的要求下，有利于內(nèi)應力均勻分布，進一步緩和殘余應力，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，科學合理的進行判斷，綜合各方面的基礎工作有序的進行，進一步提高壓力容器焊縫的力學性能。

3.3 生產(chǎn)現(xiàn)場的管理

壓力容器的生產(chǎn)制造中，對設備和人員的管理是一項非常重要的工作。對于焊接設備，如焊機、焊接工藝裝備和焊接輔助器具等焊件，熱處理設備，如加熱爐等，都需要企業(yè)進行定期的維護保養(yǎng)，延長其使用壽命，減小企業(yè)成本。企業(yè)應該培養(yǎng)一支高技術、高素質(zhì)的人才隊伍，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性能，使企業(yè)的利益最大化。

4 結(jié)束語

隨著科學技術的進步，壓力容器應用的領域越來越廣泛。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性能提高，保證壓力容器的質(zhì)量，為國家和社會作出應有的貢獻。

參考文獻：

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

[2]李煜，段滋華，來誠鋒.復合鋼板壓力容器焊縫界面高溫蠕變研究[J].化工機械，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，2012.