熱處理技術在石油化工壓力容器中的應用

楊曉東

(陽煤集團太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400)

引 言

一直以來，我國都十分重視石油化工行業的建設與發展，其中壓力容器是石油化工行業中的特種設備，也是該行業內的重點設備。石油化工壓力容器的安全性對石化企業的生產作業具有重大影響，其中石油化工壓力容器的基體材料容易受到環境腐蝕影響，而容器的焊縫位置容易發生斷裂等失效情形，因此石油化工壓力容器必須針對其使用材料和使用環境選擇合適的熱處理工藝，并嚴格控制實施過程，以降低或消除石油化工壓力容器基體材料的殘余內應力，提高材料的機械性能，并提升石油化工壓力容器的使用壽命和穩定性，進而減少石油安全事故的發生。

1 熱處理技術的概念及重要性

熱處理技術是通過將金屬材料放置于某種介質后，執行特定的加熱、保溫和冷卻處理操作，進而改善金屬材料內部和表面組織結構或材料成分，以實現改善金屬材料機械性能、消除殘余內應力的一種工藝過程。在石油化工壓力容器的生產加工過程中，折彎、焊接等加工工藝均會在基體內產生不同程度的殘余內應力，這些殘余內應力會在一定程度上降低金屬材料的強度和抗疲勞能力，還容易造成材料脆性斷裂和應力腐蝕，因此殘余內應力通常是基體發生斷裂等實效情形的根源。例如，高強度的鋼材料在生產過程中容易發生氫脆現象，為避免出現氫脆而采用的脫氫處理，同樣也屬于熱處理技術。同時，松弛的殘余內應力可能導致零件發生變形，進而影響零件的尺寸精度，因此熱處理技術在金屬零件加工過程中尤為重要[1]。

2 熱處理技術的加工工藝

根據熱處理技術的目的，可以將熱處理劃分為預先熱處理和最終熱處理，預先熱處理是為消除上一道工序的缺陷或便于后面工序加工而設置的熱處理，最終熱處理則是為保證零件最終使用性能而設置的熱處理；根據熱處理技術的性質，可劃分為普通熱處理、形變熱處理和化學熱處理。其中普通熱處理僅改變金屬材料的組織結構，形變熱處理結合了材料形變強化與熱處理強化，前兩種熱處理工藝均為改變材料成分，而化學熱處理則會同時改變材料成分和組織結構。

常見的熱處理技術有主要為回火、退火、淬火和正火，四種熱處理工藝的本質均為在可控條件下對金屬材料進行加熱、保溫和冷卻操作，因此保證對加熱、保溫、冷卻三項重要工藝環節的精確控制，則是提升石油化工壓力容器材料機械性能和穩定性的重點。熱處理加熱過程通常使用內燃法和電熱法兩種，當金屬材料被加熱到某一特定溫度區間后，便要通過保溫技術將加熱后的金屬材料進行一定時間的保溫，這個過程中金屬材料的組織結構、材料強度、硬度、殘余內應力，甚至是材料成分都會發生一定變化。達到保溫時間后則需要對材料進行冷卻，金屬材料的冷卻速度也直接影響其自身的機械性能和組織結構，最終使材料恢復至室溫以保證機械性能的穩定性。

3 熱處理技術在石油化工壓力容器中的應用

熱處理技術在石油化工壓力容器中的應用，具體體現為：基體焊接前的預熱、焊接完成后的熱處理以及特殊化學熱處理。

3.1 焊接前預熱

將金屬材料升高到特定溫度進行預熱處理，高溫可以改變基體材料的組織結構，在一定程度上減小金屬材料的強度和硬度，改善金屬材料的焊接性能。針對石油化工壓力容器的焊接作業，預熱作用主要體現在三方面。一是對其進行預熱后，可以有效降低焊接后的冷卻速度，幫助基體材料焊接區域中氫的脫離，減小氫致斷裂的可能性，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。并能降低焊接區域的淬硬程度，增加其抗裂性[2]；二是通過整體或局部均勻預熱能夠縮小焊接位置與其他區域間的溫度差，從而能夠減小焊接應力。同時預熱還減小了焊接應變速率，從而可以有效防止焊接裂紋產生；三是預熱能夠減小焊接基體的拘束度，在一定范圍內提高預熱溫度會降低裂紋的發生率。因此，在焊接石油化工壓力容器時，應根據基體材料和焊條的具體化學成分，以及焊接結構的剛性和具體焊接方式，確定具體的預熱的溫度與層間溫度。

3.2 焊接后熱處理

在石油化工壓力容器的焊接工作完成后，對其進行熱處理操作目的主要有三類。一是為了除氫，當對金屬材料進行焊接后，焊接區域溫度仍高于100 ℃以上時，對該材料進行低溫熱處理可以加速焊接區域及其熱影響區內氫的脫離，從而防止低合金鋼等石油化工壓力容器常用材料發生氫脆現象，降低焊接區域產生裂紋的可能性；二是消除焊接產生的殘余內應力，殘余內應力主要來源于兩方面：一方面是焊接過程中材料由于發生快速升溫和冷卻，容易導致金屬材料內部產生不均勻的內應力[3]。另一方面是焊接石油化工壓力容器時由于其本身或外界的拘束導致產生的內應力。焊接后通過局部或整體的高溫回火熱處理可以有效消除金屬材料的殘余內應力；三是改善材料的力學性能，石油化工壓力容器常用的合金鋼材料焊接后所形成的焊接接頭，其組織結構會發生改變，并產生部分淬硬組織，從而破壞了金屬材料的機械性能，而通過焊接后熱處理就可以在一定程度上降低材料的硬度，改善焊接區域的塑性和韌性，使材料獲得較好的綜合力學性能，同時還能提升石油化工壓力容器內部組織結構的穩定性，以及其外形尺寸的穩定性和精度。針對石油化工壓力容器的結構件，普通材料的結構件在焊接后僅需進行去應力退火熱處理即可，而對于部分中碳鋼和高碳鋼結構件、補焊件和不同材料的焊接件，通常需要進行能夠使基體材料組織結構均勻化、成分均勻化，并能夠消除焊接內應力的正火熱處理[4]。

3.3 特殊化學熱處理

石油化工壓力容器包含眾多組成零件，由于各類零件的具體作用不同，所以零件所側重的機械性能也不同，因此石油化工壓力容器在生產制造過程中，零件通常包含一些特殊技術要求。一是部分零件表面需要較高的耐磨性，對于普通鋼零件可以采用滲碳淬火法，在零件表面形成高碳馬氏體硬化表層，而對于合金鋼零件用滲氮法能夠在零件表面形成合金氮化物的彌散硬化表層，兩種方式均能顯著提升零件表面硬度，硬度可以高達HRC60以上；二是部分零件要求有較高的疲勞強度，通過滲碳和滲氮等化學熱處理方式，均能夠鋼件的表面產生一定的殘余壓應力，從而使零件的疲勞強度得到提升；三是部分零件要求有較好的抗腐蝕性和抗高溫氧化性，其中通過滲氮化學熱處理能夠增強其抗腐蝕能力，在鋼件表面滲硅、滲鋁、滲鉻后，可以在零件表面生成一層穩定、致密的SiO2、Al2O3、Cr2O3膜層，從而增強零件的高溫抗氧化性和抗蝕性。通過化學熱處理的方式，可以使石油化工壓力容器零件在保持自身高韌性基體材料的同時，額外獲得優異的表面機械性能，從而使零件獲得了更佳的綜合性能[5-6]。

4 結語

石油化工行業對生產安全性要求極高，因此石油化工壓力容器必須有極高的安全性和穩定性，這便對其材料的機械性能提出了更高的要求，而熱處理技術對于增強石油化工壓力容器材料性能具有十分重要的作用。在石油化工壓力容器的生產制造過程中，熱處理技術可以在一定程度上優化材料的組織結構，消除殘余內應力，并能提升材料的綜合性能以及部分機械性能，進而增強了石油化工壓力容器材料的安全性和可靠性。