熱處理技術(shù)在石油壓力容器及管件中的應(yīng)用

劉明生　張帥

摘要：熱處理是決定產(chǎn)品性能、壽命和可靠性的關(guān)鍵，熱處理水平是制造業(yè)競爭力的核心要素.在闡述金屬材料常見的熱處理方法的基礎(chǔ)上，重點對熱處理技術(shù)在壓力容器和管件的主要運用進行了相關(guān)分析，指出了對于金屬結(jié)構(gòu)件實施合理的熱處理是挖掘材料性能潛力、提高產(chǎn)品性能的重要加工技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：熱處理技術(shù)；石油工業(yè)；壓力容器；管件

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：B

引言

當(dāng)今社會，金屬材料的應(yīng)用十分廣泛。在裝備制造、建筑、石油、化工以及冶金等行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對金屬材料的性能要求越來越高。為此，對金屬材料進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，以提高其使用性能和工藝性能就顯得尤其重要。

我廠主要從事壓力容器及其它非標設(shè)備制造、長輸管道施工以及各種大小口徑熱煨彎管的生產(chǎn)。在這些設(shè)備和零部件的加工過程中，由于各種不同的加工工藝如鑄造、切削加工、焊接、裝配等都會產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力，構(gòu)件中的殘余應(yīng)力大多數(shù)表現(xiàn)出很大的危害作用；如使構(gòu)件的強度降低、降低工件疲勞極限、造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂，由于殘余應(yīng)力的松弛，使構(gòu)件產(chǎn)生變形，影響了構(gòu)件的尺寸精度；而且鋼從熱變形加工冷卻下來時，由于溶解在鋼中的氫析出而導(dǎo)致內(nèi)部開裂。這對于工件、設(shè)備的加工和使用來說都是致命的危害，解決這些問題方便有效的辦法就是熱處理，所以做好熱處理工作對于我廠的整個生產(chǎn)發(fā)展也是相當(dāng)重要的。

1 石油壓力容器及管件應(yīng)具備的主要性能

金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能兩方面。

（1）使用性能。是保證工件的正常工作應(yīng)具備的性能，主要包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。

（2）工藝性能。是材料在被加工過程中適應(yīng)各種冷熱加工的性能，包括鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、熱處理性能、切削加工性能等。金屬材料的工藝性能不是一成不變的，可以通過改進工藝規(guī)程、選用合適的熱處理方法等措施來改善。

2 金屬材料常用的熱處理方法

熱處理按用途可分為中間熱處理和最終熱處理。中間熱處理目的是改善材料工藝性能，方便加工。最終熱處理的目的是使產(chǎn)品獲得所需要的使用性能。熱處理按性質(zhì)一般可分為3大類，即普通熱處理、形變熱處理和化學(xué)熱處理。普通熱處理只改變組織結(jié)構(gòu)而不改變材料的成分；形變熱處理也不改變材料的成分，它把形變強化和熱處理強化結(jié)合起來以獲得更好的性能；化學(xué)熱處理既改變材料的成分也改變材料的組織結(jié)構(gòu)。

熱處理是一種重要的成型加工手段，它不僅能夠方便加工，降低生產(chǎn)成本，充分發(fā)揮材料性能潛力，甚至是有些產(chǎn)品成型的必不可少的手段。為獲得好的工藝性能而實施的中間熱處理一般安排在加工過程中實施。為獲得好的使用性能而實施的最終熱處理一般安排在加工過程最后工序?qū)嵤?/p>

金屬材料對熱處理工藝的適應(yīng)性稱為熱處理性能，它包括淬透性、淬硬性、變形開裂傾向、過熱敏感性、回火脆性傾向、氧化脫碳傾向等，而有些金屬材料沒有固態(tài)相變，熱處理不能強化。

2.1退火

退火目的是消除材料的內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，提高塑性，細化組織，均勻化學(xué)成分，以利于沖壓、折彎、拉伸或切削、磨、鏜以及熱處理等加工，并為最終熱處理做好組織淮備。根據(jù)退火時處理組織結(jié)構(gòu)的變化，退火常分為完全退火、球化退火、再結(jié)晶退火、去應(yīng)力退火和擴散退火等。

1）完全退火。主要用于冷壓力加工前調(diào)整塑性，適用于亞共析鋼及其合金鋼，但不能用于過共析鋼。

2）球化退火。主要目的是消除材料的內(nèi)應(yīng)力、降低硬度、提高塑性、細化組織、均勻化學(xué)成分，另外，還可使?jié)B碳體呈球狀，以改善切削加工性，并為以后的淬火作好組織上的準備。球化退火的關(guān)鍵在于加熱溫度不能過高。鋼件在球化退火前應(yīng)作金相組織檢查，若原始組織上存在嚴重的滲碳體，應(yīng)采用正火工藝將其消除后才能進行球化退火。

3）再結(jié)晶退火。主要用于消除加工硬化現(xiàn)象和恢復(fù)材料的塑性。再結(jié)晶退火溫度一般為650～6800C。

4）去應(yīng)力退火。主要目的是消除鑄、鍛件和焊接件的殘余內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，改善切削加工性能。去應(yīng)力退火溫度控制在550～6500C，對于厚大的焊接件，視工件的最大厚度計算，最高加熱溫度可以達到7000C。

5）擴散退火。主要用于消除化學(xué)成分的不均勻性。是一種耗時長、費用高的熱處理操作，一般只用于處理優(yōu)質(zhì)鋼、鑄錠或鑄件。

2.2正火

正火的效果同退火相似，其主要作用有：

1）對于低碳鋼，正火代替退火，改善切削加工性能。

2）對于過共析鋼，消除網(wǎng)狀碳化物為球化退火作準備。作為中碳鋼、合金鋼淬火前的熱處理，以減少淬火缺陷；

3）對于淬火返修件，消除內(nèi)應(yīng)力和細化組織，以防重淬火時產(chǎn)生變形與裂紋。

4）對于大型、重型及形狀復(fù)雜零件或性能要求不高的普通結(jié)構(gòu)零件作為最后熱處理，以提高力學(xué)性能。

2.3淬火

淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻的一種熱處理工藝。目的是為了獲得Ms組織，以提高強度和硬度。由于淬火時，馬氏體轉(zhuǎn)變屬于非擴散型轉(zhuǎn)變，對于Mz點在室溫以下的鋼，將有一部分A'，為此需要進行冷處理以消除或減少A'組織。

2.4回火

其主要目的是消除或減小零件的淬火應(yīng)力，適當(dāng)降低硬度，以獲得高的綜合力學(xué)性能，穩(wěn)定組織，改善切削性能。按照回火溫度的不同分為：低溫回火、中溫回火和高溫回火。其中調(diào)質(zhì)處理就是淬火+高溫回火。鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，鋼的硬度較低，便于切削加工達到較好的表面質(zhì)量。中碳鋼常用調(diào)質(zhì)處理改善切削性能。調(diào)質(zhì)處理也可作為表面淬火和化學(xué)熱處理的預(yù)備熱處理。

3 熱處理在壓力容器和管件的主要運用

3.1焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱和焊后回火是改善金屬材料焊接性能的重要手段，馬氏體型不銹鋼具有強烈的淬硬和冷裂傾向，含碳越高越敏感，焊前預(yù)熱是防止其產(chǎn)生裂紋的有效措施，重要構(gòu)件的焊接、合金鋼的焊接及厚部件的焊接，都要求在焊前必須預(yù)熱。

1）預(yù)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(chǎn)生氫致裂紋。同時也減少焊縫及熱影響區(qū)的淬硬程度，提高了焊接接頭的抗裂性。

2）預(yù)熱可降低焊接應(yīng)力。

3）預(yù)熱可以降低焊接結(jié)構(gòu)的拘束度，對降低角接接頭的拘束度尤為明顯，隨著預(yù)熱溫度的提高，裂紋發(fā)生率下降。

3.2焊后熱處理

焊后熱處理的目的有三個：除氫、消除焊接應(yīng)力、改善焊縫組織和綜合性能。

1） 焊后除氫處理。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?zé)崽幚?。焊后除氫處理的主要作用是加快焊縫及熱影響區(qū)中氫的逸出，對于防止低合金鋼焊接時產(chǎn)生焊接裂紋的效果極為顯著。

2）去應(yīng)力熱處理。在焊接過程中，由于加熱和冷卻的不均勻性，以及構(gòu)件本身產(chǎn)生拘束或外加拘束，在焊接工作結(jié)束后，在構(gòu)件中總會產(chǎn)生焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力在構(gòu)件中的存在，會降低焊接接頭區(qū)的實際承載能力，產(chǎn)生塑性變形，嚴重時，還會導(dǎo)致構(gòu)件的破壞。

去應(yīng)力熱處理是使焊好的工件在高溫狀態(tài)下，其屈服強度下降，來達到松弛焊接應(yīng)力的目的。常用的方法有兩種：一是整體高溫回火，即把焊件整體放入加熱爐內(nèi)，緩慢加熱到一定溫度，然后保溫一段時間，最后在空氣中或爐內(nèi)冷卻。用這種方法可以消除80%-90%的焊接應(yīng)力。另一種方法是局部高溫回火，即只對焊縫及其附近區(qū)域進行加熱，然后緩慢冷卻，降低焊接應(yīng)力的峰值，使應(yīng)力分布比較平緩，起到部分消除焊接應(yīng)力的目的。

3）有些合金鋼材料在焊接以后，其焊接接頭會出現(xiàn)淬硬組織，使材料的機械性能變壞。此外，這種淬硬組織在焊接應(yīng)力及氫的作用下，可能導(dǎo)致接頭的破壞。如果經(jīng)過熱處理以后，接頭的金相組織得到改善，提高了焊接接頭的塑性、韌性，從而改善了焊接接頭的綜合機械性能。

3.3化學(xué)熱處理

4 結(jié)語

2）熱處理可以改善材料工藝性能，它也是焊接、表面處理的重要工序之一。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和材料性能特點，以及最佳的成型工序，運用適當(dāng)?shù)臒崽幚慝@得某種最佳的工藝性能，可以節(jié)省加工成本，提高加工質(zhì)量，達到事半功倍的效果。

3）在設(shè)計熱處理工藝時，應(yīng)注意材料性能和熱處理過程的特點，防止熱處理本身帶來的問題，消除加工過程中的質(zhì)量隱患。

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作者簡介：

劉明生（1966-），男，重慶市人，副教授/工程師，主要研究方向：機電一體化技術(shù)與材料成型控制。