壓力容器燃氣整體熱處理裝置分析

姜志堅

摘 要：壓力容器設計中的熱處理雖然有著消耗能量大和周期較長的諸多缺點，并且在實際的設計過程中因為壓力容器結構等諸多方面面臨種種困境，但是目前，熱處理仍然是壓力容器設計中唯一能被行業接受的消除焊接殘余應力的方法。

關鍵詞：壓力容器設計；熱處理；壓力容器

壓力容器的用途比較廣泛，具有能夠發生化學反應或者物理反應、能夠傳導熱能、能夠進行分離和存儲以及具有耐壓性能等功能，在能源工業、科學研究事業、軍隊工程以及石油化工工程等多種行業具有舉足輕重的地位。壓力容器的使用環境比較惡劣，設計過程比較復雜，如果壓力容器一旦被損壞，造成的影響也十分嚴重。所以，要選取合適的材料和方法進行熱處理技術，以保證壓力容器的質量，確保這種大型的壓力容器的安全性和可靠性。

一、熱處理基本工藝技術分析

熱處理技術基本上主要是加熱、保溫和冷卻三個基本過程的有機配合和銜接的技術。首先，熱處理的溫度值是一個重要的技術參數標準之一。制定和控制適當的溫度值范圍是提高熱處理質量的重要問題，但是由于在壓力容器的設計中因使用不同的金屬或者合金材料，必須在適當的時間設計適當的溫度值，才能保證金屬材料的基本性能得到最大的潛力發揮，才能獲得較高的容器質量。其次，金屬材料加熱后必然需要冷卻的過程。工業生產上要求因壓力容器的材質不同和技術標準的不同，必須采用不同的冷卻速度。人們在不斷地探索實踐中，主要設定三種冷卻速度和一種冷卻方式，即冷卻速度最慢的退火、冷卻速度比較快的正火、冷卻速度最快的淬火以及與淬火十分密切的回火。第三，熱處理的加熱技術是重要的設計程序之一。現今的加熱方法有很多種，比如，以液體或者氣體燃料作為熱源或者以電加熱等進行直接加熱。也可以利用液態鹽或金屬，以至浮動粒子進行間接加熱。

二、壓力容器設計中熱處理問題

（一）復合板式壓力容器熱處理

復合板式壓力容器的焊接后熱處理問題必須要重視考慮和處理。一般而言，構成復合板的基層材料要進行焊接后熱處理時，那么，以該材料制成的壓力容器也必須進行焊接后的熱處理技術，并且必須考慮到熱處理對復合板式的材料的化學性和物理性的不利影響。因為這種熱處理技術在很大程度上能夠使復合材料以及焊接處發生碳化，從而使材料的性能變弱，甚至消失。基于以上，設計師在設計復合板式的壓力容器的熱處理時，要考慮到熱處理對復合板式的材料的化學性和物理性的不利影響，以免影響復合材料的耐腐蝕性。基本上復合板式的壓力容器所使用的材料應該符合以下要求：第一，碳質鋼的厚度要大于或等于圓筒內直徑的3%；第二，其他的合金鋼材的厚度要大于或等于圓筒內直徑的2.5%。

（二）金屬材料壓力容器熱處理

金屬焊接后進行的熱處理技術原理：高溫下，金屬或者合金材料的變形指數降低，高應力處就會產生流型變化，以消除焊接后產生的殘余應力，完善焊接后的韌度，最終提高金屬的抗腐蝕性。比較適應這種原理的金屬材料的結構是體心立方晶體結構，相反地，奧氏體不銹鋼的金屬材料的晶體結構是面心立方體結構。兩種結構的不同點主要表現在面心立方體的滑移面比較多，從而體現其較好的韌性。此外，設計壓力容器必須遵循的目的是防腐和溫度，而奧氏體不銹鋼的金屬材料符合此目的以及其市場價格比較昂貴，材料的壁厚度相對較薄，所以對于以奧氏體不銹鋼為金屬材料的壓力容器沒有必要進行熱處理技術的處理。這是因為以奧氏體不銹鋼為材料的壓力容器的塑性和韌性比較好，其殘余應力的性能比較小，當冷卻后金屬材料硬化的后果比較低。然而理論上的消除應力熱處理技術的溫度范圍為：600℃-620℃，保溫時間為兩個小時；在 400℃-850℃的溫度范圍內，對奧氏體不銹鋼進行緩慢冷卻后會發生材料結構間的腐蝕，形成奧氏體不銹鋼的過敏化。所以當要求比較高的抗腐蝕性或者高溫要求時，設計壓力容器時需要制定適應的熱處理方法，以保證壓力容器的性能。

三、壓力容器燃氣整體熱處理裝置

壓力容器是指因設備重量大或運輸道路限制，需在現場制造（組焊）完成的壓力容器。隨著石化工業的發展，各種化工鋼制塔、容器呈越來越大型化的趨勢，如丙烯腈反應器的直徑近9m，高度達30m左右。對如此大的壓力容器進行焊后整體熱處理已成為亟待解決的技術難題。目前常用的壓力容器熱處理技術有電加熱法及燃油法兩種，但這兩種方法在進行大型壓力容器整體熱處理時均存在不同程度的技術缺陷。中國石油東北煉化工程有限公司研制的大型壓力容器燃氣整體熱處理裝置（型號：HT-Q500A）適用于各種壓力容器、球罐、非標設備等焊后整體熱處理，尤其適用于石化行業大型壓力容器焊后整體熱處理。該裝置以液化氣或天然氣等清潔能源為燃料，采用多臺燃燒器分層同時供熱，利用設置在壓力容器內部的導流裝置對熱氣流進行導流，有效地提高了壓力容器內部熱循環效果；采用自動控制技術對熱處理過程進行監控，確保了整體熱處理的質量。該裝置克服了現有電加熱法、燃油法及傳統燃氣法等技術的各種缺陷，具有供熱能力強、內部熱循環效果好、自動控制精度高等優點。此外，該裝置采用含硫量偏低的液化氣作為燃料，有效地降低了燃料燃燒過程中硫化物對焊接接頭使用性能的影響，而且對環境污染也小，滿足了石化行業對大型壓力容器焊后整體熱處理施工的特殊要求。該裝置應用于吉化集團丙烯腈工程等多項大型工程熱處理施工現場，控溫準確、效果好。

四、結束語

壓力容器設計中進行的熱處理技術是運用相應介質，將壓力容器所使用的金屬材料或者合金材料進行加熱、保溫和冷卻過程，進而在不改變金屬材料的外部形狀的情況下，使其內部的纖維組織及其部分化學成分發生改變，以調控金屬材料的基本性能并使其得到最大的潛力發揮的技術。熱處理技術對于改善壓力容器的金屬材料以及完善其金屬本質性能具有重要的作用。

參考文獻：

[1]范聞捷.壓力容器設計中的熱處理問題[J].遼寧化工，2014.

[2]李春明.12Cr2MoWVTiB 鋼焊后熱處理工藝改進的研究[J].熱加工工藝，2015.