壓力容器設計中的熱處理問題分析

趙芬香(洛陽智達石化工程有限公司 河南省 471003)

一、簡述熱處理技術原理

金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定的時間，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成分，而是通過改過工件內部的顯微組織或改變工件表面的化學成分，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性能、物理性能和化學性能，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、冷卻三個過程。這個過程相互銜接，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量的主要問題。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間，因此，當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，需在此溫度保持一定時間，使內外溫度一致，使顯微組織轉變完全，這段時間稱為保溫時間。冷卻是熱處理工藝過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，對壓力容器各個元件正確的選擇材料全面地進行載荷分析、應力分析。選擇合理的結構型式，并確定既安全可靠又經濟合理的強度尺寸。它通常在苛刻的操作條件下，長期連續工作的，一臺壓力容器的失效甚至一個零件的破壞，往往導致整套裝置的停工，以致給國家財產和人員安全造成嚴重損失，因而，保證壓力容器的長期安全運行對石油化學等過程工業生產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成分、金相組織有關，而且與熱處理狀態緊密相關，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。如：熱軋狀態、正火狀態、回火狀態、正火+高溫回火狀態、調質狀態、固溶狀態和穩定化狀態。壓力容器熱處理效果的優劣，將直接影響產品的質量。

三、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。壓力容器行業習慣依據其目的的不同，將常用的熱處理方法分為四大類，即焊后熱處理、恢復力學性能熱處理、改善力學性能熱處理及消氫熱處理。

在壓力容器行業中，通常所說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以下均勻加熱到足夠高的溫度，并保持一定的時間，然后緩慢冷卻的過程，稱為“消除應力退火”或“消除應力熱處理”。在壓力容器技術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，減少含氫量，尤其是提高某些鋼種的沖擊韌性，改善力學性能。

四、需進行焊后熱處理的條件

在壓力容器設計中，應科學設定設備是否需要進行焊后熱處理。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濟性。目前，人們雖然已認識到過大的焊接應力會對容器的安全產生危害，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材質、厚度、預熱溫度以及運行條件等因素，來判定壓力容器是否需要進行焊后熱處理。GB150等將判斷條件分為兩類，一類是對所有鋼制壓力容器都適用的“通用條件”，另一類是針對某些特定工況的“特殊條件”。

需進行焊后熱處理的“通用條件”：焊接應力的大小一般與如下三個方面因素有關：（1）材質：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生。基于以上三點，GB150等標準依據各種材質、厚度以及預熱溫度設定壓力容器需進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、厚度及預熱溫度如何，都應進行焊后熱處理。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的容器。這主要從萬一發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工況下引起應力腐蝕開裂。應力腐蝕是個影響因素頗多、極其復雜的過程，不能用簡單的條款劃定。以盛裝液化石油氣的容器為例：液化石油氣中含有H2S雜質會對鋼材會產生應力腐蝕，而純凈的液化石油氣（如丙烷、丁烷）是不會產生應力腐蝕。H 2S對鋼材的應力腐蝕除與其濃度有關外，還和其含水量有關，只有濕H 2S才能產生應力腐蝕，濕H2S的應力腐蝕還和溫度、介質的ph值、鋼材的含碳量、以及焊接應力大小等諸多因素相關聯。再以盛裝液氨的容器為例：化學純（≥99.995%）的液氨是不會引起應力腐蝕的，只有工業純的液氨才可能產生應力腐蝕，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生。此外，液氨的應力腐蝕還和材質的強度級別有關。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驗進行綜合判斷。

五、奧氏體不銹鋼制壓力容器的焊后熱處理

奧氏體高合金鋼經焊后熱處理雖可以減小殘余應力，降低應力腐蝕開裂敏感性，但焊后熱處理不當時又會加劇晶間腐蝕和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行焊后熱處理時，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行固溶處理。這就要求我們壓力容器設計者要具體問題具體分析，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、局部熱處理及現場熱處理四大類。壓力容器設計時，在可能條件下優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大，受加熱爐尺寸限制，只能采取分段的辦法進行熱處理。分段爐內熱處理有兩大技術關鍵，一是確定工件重復加熱長度—GB150要求容器需要加熱的長度不小于1500mm。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、外溫度梯度過大。

局部熱處理的技術關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。

現場熱處理亦稱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、大風都給熱處理效果造成不良影響。

結束語

綜上所述，壓力容器技術是一門綜合性的科學技術，壓力容器是為工藝過程服務的，他的安全運行涉及國家財產和人民生命安全。所以對壓力容器的設計提出了越來越高的要求，熱處理技術是壓力容器設中的一個重要環節，所以在設計過程中一定引起高度重視。

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