壓力容器設計中的熱處理問題研究

郭曉慶

摘 要：自從我國施行了改革開放政策以后，我國發生了巨大的變化，經濟快速發展起來，各行各業都迎來了新的發展階段，尤其是石油化學工業更是快速發展。現階段，壓力容器在石油化工生產中被廣泛應用，受化工生產介質等特殊因素的影響，其中有毒有害氣體頗多，因此壓力容器的風險性也隨之提高。壓力容器設計過程中，金屬材料選擇是否合理，金屬性能是否滿足要求，是否需要進行熱處理改善或恢復材料性能等問題是保證壓力容器安全運行的重要因素。本文詳細闡述了壓力容器進行熱處理的重要性，并對幾種常見熱處理方法進行了具體分析，希望為廣大從業人員提供借鑒。

關鍵詞：壓力容器;設計;熱處理

1 .壓力容器熱處理的目的性和意義

壓力容器是石油、化工、機械等行業等廣泛應用的焊接結構件，其運行條件苛刻，制造工藝復雜，如容器一旦破壞其后果嚴重。因此，為確保壓力容器的安全運行正確選擇材料并合理進行熱處理，對壓力容器的制造和使用尤為重要。金屬熱處理就是對固態金屬或合金采用適當的方法進行加熱、保溫、冷卻以獲得重要的組織和性能的工藝。制造行業對金屬性能有兩方面的要求，首先要有良好的工藝性能，其中包括鑄造工藝性能和鍛壓工藝性能、焊接工藝性能、切削加工性能和熱處理工藝性能;其次要有良好的使用性能，就是運轉可靠、經久耐用。這兩方面性能均與金屬材料的化學成分有關，然而在許多情況下單純靠調整金屬材料的化學成分無法滿足要求，因此為滿足金屬材料的加工和使用要求必須進行熱處理。

2 .熱處理工藝流程

金屬熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這三個過程互相銜接，不可間斷。加熱是熱處理的重要工序之一，嚴格控制加熱溫度是保證熱處理質量的關鍵，加熱溫度隨被熱處理的金屬材料和熱處理目的不同而異，一般都是加熱到相變溫度以上，用來獲取高溫組織。需要注意的是組織轉變需要時間，當金屬工件表面溫度達到熱處理溫度時，需要保溫一段時間，使內外溫度一致，此時高溫組織得到充分轉化，這段時間稱為保溫時間。此外，若加熱速度較快且金屬材料內外溫度相差不大，則可以省略保溫這一過程直接冷卻。冷卻是熱處理工藝中關鍵步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要控制冷卻的速度。冷卻速度有慢到快依次為退火、正火、淬火。受不同速率冷卻處理的影響，可以得到具有不同的物理性能工件，以保證在具體情況下更靈活地應用在化工生產中。

3 .壓力容器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。

3.1焊后熱處理（消除應力熱處理）：

廣義地說，焊后熱處理就是在工件焊完之后對焊接區域或焊接構件進行的熱處理。狹義地說，焊后熱處理僅指消除應力退火，即為了改善焊接區的性能和消除焊接殘余應力等有害影響，從而對焊接區及有關部位在金屬相變溫度點以下均勻而有充分地加熱，然后又均勻冷卻的過程。許多情況下所討論的焊后熱處理實質上就是焊后消除應力熱處理。焊后熱處理應按規程操作，下圖為碳鋼、低合金鋼焊后熱處理操作曲線圖。焊后熱處理時間應根據母材類別、組別確定。

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。GB150根據以上三點規定了需要進行焊后熱處理的焊接接頭厚度。

此外，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，二是用于盛裝毒性為極度或高度危害介質的碳鋼、低合金鋼制容器。應力腐蝕引起的斷裂沒有宏觀變形，且具有突發性，裂紋往往會深入到金屬內部，并且很難修復，有時會整臺報廢。在壓力容器設計過程中，應根據設備選材、盛裝介質毒性程度等方面著重考慮是否存在應力腐蝕傾向，是否需要焊后熱處理以消除風險。但應力腐蝕又是個影響因素頗多、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。

3.2改善材料性能熱處理：

需要通過熱處理來達到材料的設計強度、韌性指標的，如螺栓材料35CrMoA，原材料為熱軋狀態，圖樣要求使用狀態為調質，調質處理提高了材料的性能。

3.3恢復材料性能熱處理：

制造中因冷加工成形使材料發生較大變形或組織發生較大變化而影響材料微觀組織和力學性能時，或當要求材料的使用熱處理狀態與供貨狀態一致，但在制造過程中破壞了材料的供貨熱處理狀態時，應對受壓元件進行恢復材料性能熱處理。

3.4焊后消氫處理：

是指在焊接完成以后，焊縫尚未冷卻至100℃以下時，進行的低溫熱處理。一般規范為加熱到200～350℃，保溫2-6小時。焊后消氫處理的主要作用是加快焊縫及熱影響區中氫的逸出，對于防止低合金鋼焊接時產生焊接裂紋的效果極為顯著。

4. 總結

隨著我國科學技術的發展，壓力容器開始被廣泛應用在我國多個行業，如石油化工生產行業、能源、醫學等行業中，相應的對于壓力容器的質量也有著更高的要求。在壓力容器制造過程中，熱處理技術具有十分重要的作用，通過熱處理可以提高壓力容器的性能，消除其應力，發揮壓力容器的作用。在設計壓力容器過程中，一定要充分考慮材料性能，選擇合適的熱處理技術，同時還要不斷提高熱處理技術，進而提高壓力容器質量和性能。

參考文獻：

[1] 趙芬香.壓力容器設計中的熱處理問題分析[J].技術管理，2014（14）.

[2] GB150.1～150.4-2011，壓力容器[S].