壓力容器設計中的熱處理問題分析

董海濤　楊健

摘 要：首先提出了壓力容器設計過程中存在的問題，隨后給出問題的解決方案即熱處理，最后著重分析了焊后熱處理的目的、必要性以及如何進行熱處理工作。

關鍵詞：壓力容器；熱處理；壓力容器設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.044

0 引言

在設計過程中壓力容器會存在一些不可避免的問題：過度的冷加工工藝如冷矯形、冷卷等導致壓力容器冷作硬化。焊接導致壓力容器焊縫區(qū)性能和組織。焊接產生的殘余應力及相關應力導致腐蝕裂紋。

1 壓力容器設計過程中的問題

在設計過程中壓力容器會存在一些不可避免的問題：過度的冷加工工藝如冷矯形、冷卷等導致壓力容器冷作硬化。焊接導致壓力容器焊縫區(qū)性能和組織。焊接產生的殘余應力及相關應力導致腐蝕裂紋。

壓力容器在焊接工序中，由于焊接件在相鄰區(qū)域易造成急劇溫度梯度，引起鐵素體鋼或類似材料內不均勻的塑性應變，導致材料的屈服應力在隨后的冷卻工序中超過屈服點的殘余應力。 此外，上述殘余應變既有熱力工序的原因（主要是焊接工序產生的）也有機械工序產生的（主要是冷矯形、冷卷等冷加工）。 也就是說，在壓力容器設計加工的最后產品里面存在殘余的彈性應變場，并需要承受其帶來的彈性殘余應力。而這些殘余應力會極大的影響產品的使用性能。

2 壓力容器的熱處理種類介紹

熱處理作為恢復和改善金屬性能的有效辦法，目前的分類很多，分類也較不統(tǒng)一。壓力容器的熱處理主要有四種：改善鋼材性能的熱處理，焊后熱處理，恢復鋼材性能的熱處理，焊后的消氫處理。本文主要針對焊后熱處理，這是在壓力容器設計中應用最為廣的一種處理方法來進行分析討論。

3 壓力容器設計中的焊后熱處理

3.1 PWHT的目的

壓力容器設計PWHT的目的主要有以下五個方面：（1）降低焊接工序產生的參與應力；（2）穩(wěn)定鋼材的尺寸和形狀，減少鋼材畸變，使壓力容器保持穩(wěn)定；（3）改善鋼材和焊接區(qū)的性能，如，提高焊縫處材料的塑性；降低焊縫熱影響區(qū)的硬度；提高鋼材的斷裂韌性；改善鋼材的疲勞強度；提高冷成型工序中鋼材降低的屈服強度；（4）提高鋼材抗應力、抗腐蝕的能力；（5）排出焊接區(qū)域的氫或其它有害氣體，防治產生裂紋。

3.2 PWHT的必要性

壓力容器有無進行PWHT的必要，需要在設計上進行明確規(guī)定，目前壓力容器的相關設計規(guī)范要求必須進行PWHT。

經(jīng)上文分析可知，焊接過的壓力容器，在壓力容器設計加工的最后產品里面存在殘余的彈性應變場，即其帶來的殘余應力。一旦焊縫中進入氫，氫會與這些殘余應力相結合，導致焊縫的熱影響區(qū)脆化，產生延遲裂紋和冷裂紋。此外，若壓力容器內的殘余靜應力與鋼材的腐蝕效果結合時，還會產生裂紋狀腐蝕，也就是應力腐蝕。

壓力容器是否要PWHT，需從鋼材的尺寸、用途、工作條件、所用材料的性能等多方面進行綜合考慮來決定。但是若有以下6項所列情形的，均應考慮PWHT：（1）壓力容器的使用條件較為苛刻；（2）壓力容器厚度超過常規(guī)的焊制壓力容器；（3）壓力容器對尺寸及穩(wěn)定性要求較為苛刻；（4）壓力容器需要由淬硬傾向高的鋼材制造；（5）壓力容器有裂紋狀腐蝕危險；（6）其它有專門規(guī)定的壓力容器。

在焊接鋼材料的壓力容器時，靠近焊縫的區(qū)域容易達到屈服應力，這種殘余應力與奧氏體組織的轉變有關。根據(jù)相關研究表明，想要消除焊接后產生的殘余應力，需要采用的回火溫度是650℃。

隨著鋼的溫度變高，屈服強度會降低，鋼材的彈性形變轉變?yōu)樗苄孕巫儯瑢崿F(xiàn)應力松弛。而且加熱的溫度越高，鋼材的殘余應力消除的越多。但由于溫度過高時鋼材表面會出現(xiàn)氧化，并且PWHT溫度原則上不能高于鋼材原來的回火溫度，因此一般設定PWHT溫度為比原回火溫的溫度低30℃，這一點尤為重要。

3.3 消氫處理

焊接后的消氫處理，指的是在完成焊接后，在焊縫區(qū)域鋼材冷卻至100℃之前，所做的低溫熱處理，一般規(guī)定消氫處理的溫度為200-350℃，并保持溫度2-6個小時。焊接后的消氫處理目的是為了加快排除焊縫及熱影響區(qū)中的氫或其它有害氣體。消氫處理對于預防低合金鋼在之前焊接工序中產生焊接裂紋的效果極好。

3.4 消應力處理

經(jīng)上文分析可知，在焊接工序中，由于不均勻的冷卻和加熱，以及鋼材自身的拘束，在焊接工序后，鋼材內部中會存在焊接應力。焊接應力會極大降低焊接區(qū)域的承載能力，造成塑性變形，如果再嚴重點還可能破壞壓力容器的整體結構。

消應力熱處理，指的是將完成焊接的壓力容器置于高溫中，降低其屈服強度，以此消除焊接應力。通常有兩種方法：（1）將整個壓力容器高溫回火，即把壓力容器整個放到加熱爐內，均勻加熱到指定溫度并保持適當時間后進行冷卻處理。這種方法可以降低80%～90%的應力；（2）將局部壓力容器進行高溫回火，即只對壓力容器的焊縫區(qū)域進行高溫加熱后，進行緩慢的冷卻處理，降低壓力容器焊接處應力峰值，平緩應力分布。

3.5 PWHT綜合效果的考慮

在通常情況下，PWHT是在需要降低殘余應力，并嚴格限定壓力容器的應力腐蝕情況下才會進行。因為，從鋼材的沖擊韌性實驗結果發(fā)現(xiàn)，PWHT會降低熔敷金屬焊接區(qū)域的韌性，有時PWHT還會導致焊接區(qū)域晶間開裂。此外，由于PWHT最主要是通過高溫降低材料強度來消除應力的，因此在PWHT時，鋼材有可能因高溫而失去剛性。對于采取PWHT的壓力容器，在進行熱處理前，要考慮好該鋼材在高溫下的性能。

4 結束語

壓力容器PWHT雖然能耗較大，所用時間長，但目前在壓力容器設計中它是唯一一個被各方都認同的消除焊接處殘余應力的方法。當然，壓力容器PWHT也不是完美的，在考慮是否對壓力容器進行熱處理時，要綜合比較它的有利與不利兩個方面，分析制造壓力容器的鋼材是否能承受長時間的高溫而不降低其性能，分析所耗能量與時間是否與消除殘余應力所得收益成正比，應選用哪種熱處理方法等，待詳細分析后，再做出合理決定。

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