熱處理在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

皮曉峰

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

1 判斷熱處理的必要性

通常壓力容器被用來存放腐蝕性、易燃易爆、或有毒性的溶液或氣體，因此在許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其是化工生產(chǎn)中的常見設(shè)備。由于內(nèi)部存放壓力較大的有害性物質(zhì)，因此其安全性一直受到了廣泛的關(guān)注。壓力容器的設(shè)計(jì)需要考慮多種技術(shù)方面的問題，如選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析、強(qiáng)化措施、檢驗(yàn)維護(hù)等。而熱處理技術(shù)在壓力容器的設(shè)計(jì)領(lǐng)域占有重要的地位，因?yàn)樵诟邏汉透g性液體、氣體環(huán)境中，壓力容器的金屬和焊縫要求較高而應(yīng)用熱處理技術(shù)可以有效的提高金屬材料或焊接部位的抗壓性能，將金屬或焊縫中的不穩(wěn)定因素通過高溫改變，使金屬材料的性能得到最大的優(yōu)化，從而保證壓力容器的安全系數(shù)。

但是，并不是所有的壓力容器制造都需要經(jīng)過熱處理工序，一方面，熱處理工序會(huì)提高加工成本和延長(zhǎng)工時(shí)，對(duì)節(jié)約能耗，控制生產(chǎn)成本不利，另一方面，一般情況下，熱處理有利于降低焊接殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的組織與性能，熱處理對(duì)熔敷金屬和焊接熱影響區(qū)的韌性提高不利，有時(shí)還可能發(fā)生晶間開裂，同時(shí)將不可避免的使得結(jié)構(gòu)失去剛性，因此，在進(jìn)行熱處理工序之前，必須仔細(xì)判斷焊件在高溫下的支承能力。

2 壓力容器熱處理中出現(xiàn)的問題以及熱處理的目的

2.1 焊接中存在一定的缺陷

根據(jù)物理學(xué)原理，焊接的接頭是一個(gè)組織的和力學(xué)性能的不均勻體，當(dāng)溫度下降，實(shí)現(xiàn)冷卻之后，焊接組織將會(huì)變成一個(gè)過熱組織，這個(gè)組織呈現(xiàn)出晶粒粗大、化學(xué)成份不均勻的現(xiàn)象，出現(xiàn)強(qiáng)度上升但是塑生降低的情況。在熔合線的外側(cè)區(qū)域不僅晶粒粗大，還經(jīng)常出現(xiàn)一種名叫魏氏組織和索氏體的物質(zhì)，使得這個(gè)區(qū)域的韌性顯著降低。

根據(jù)熱處理的原理，熱影響和區(qū)熔池的結(jié)晶方向和換熱方向呈現(xiàn)出相反的狀態(tài)，也就是說，熱影響區(qū)到熔合線再到焊縫是為結(jié)晶方向，熔合線處是首先完成結(jié)晶的，但是熔池中心卻是結(jié)晶最慢的地方。這就造成了熔池的雜質(zhì)不斷的由熔合線向熔池的中心移動(dòng)，使得熔池的中心部分最容易產(chǎn)生夾渣的缺陷，但是又由于熔合線處是冷卻速度最快的，這種不均衡的融和速度使得裂紋的產(chǎn)生更加普遍。，不僅使得產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至威脅人民的財(cái)產(chǎn)生命安全。

2.2 焊后進(jìn)行熱處理的目的

焊接由于存在著一定的問題，這就使得壓力容器的熱處理變得極為重要。焊接之后進(jìn)行熱處理的目的，主要包含以下幾個(gè)方面。首先，焊接后的熱處理可以實(shí)現(xiàn)松弛焊接的參與應(yīng)力的水平，使得焊接能夠更好的完成。其次，在焊接之后進(jìn)行熱處理可以使得壓力容器能夠更好的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，使得結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸得以固定與完善，從而降低畸變的可能性。再次，壓力容器進(jìn)行熱處理，可以更好的改善母體材料與焊接區(qū)之間的性能，這些性能包括提高焊縫金屬的一種塑性，還可以實(shí)現(xiàn)熱影響區(qū)硬度的降低，使得斷裂的韌性可以得到提高，還能夠使得金屬的疲勞強(qiáng)度得到一定程度的改善，使得恢復(fù)和提高冷成型的屈服強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)降低。最后，壓力容器的熱處理還可以提高容器的抗應(yīng)能力和抵抗腐蝕的能力；壓力容器的熱處理可以更好的實(shí)現(xiàn)焊縫金屬中有害氣體的釋放，達(dá)到防止或者延遲裂紋產(chǎn)生的目的。

3 壓力容器設(shè)計(jì)中不同材質(zhì)類型的熱處理問題探究

根據(jù)化工生產(chǎn)的需求的不同，壓力容器的材質(zhì)類型也不一樣。針對(duì)不同類型的材質(zhì)，壓力容器熱處理過程中所需要注意的問題也有所不同，下面就幾種不同材質(zhì)類型的壓力容器的熱處理問題進(jìn)行簡(jiǎn)要的探究。

3.1 奧氏不銹鋼制造的壓力容器熱處理問題探究

奧氏不銹鋼具有優(yōu)良的熱塑性使其易于鍛造、軋制、熱穿孔和擠壓等熱加工，另外奧氏不銹鋼含有Mo、Cu等元素，具有優(yōu)良的耐酸性和耐腐蝕性，因此奧氏不銹鋼被廣泛地應(yīng)用于壓力容器的加工制造，且一般不作消除應(yīng)力的熱處理。通常熱處理的溫度為600～620℃，然后保溫2小時(shí)，最后緩慢進(jìn)行冷卻，奧氏不銹鋼的金屬結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生改變，也就是所說的過敏化。因此奧氏不銹鋼按照常規(guī)的熱處理是行不通的，必須根據(jù)壓力容器使用的具體環(huán)境來確定熱處理的方案，滿足生產(chǎn)的需求。

3.2 金屬?gòu)?fù)合板式壓力容器在焊接后的熱處理問題探究

因此金屬?gòu)?fù)合板常常用于防腐和壓力容器的制造之中。當(dāng)對(duì)金屬?gòu)?fù)合板式壓力容器進(jìn)行熱處理的時(shí)候，高溫會(huì)影響復(fù)合板的熱力學(xué)性能，特別是不銹鋼復(fù)合板，焊后進(jìn)行熱處理，就容易對(duì)焊頭造成一定的影響，可能會(huì)損壞復(fù)合板的耐腐性性能和力學(xué)性能。因此必須充分考慮到熱處理對(duì)材料的影響，在一定的時(shí)候必須選取符合要求的復(fù)合材料。另一方面，必須靈活對(duì)待焊后熱處理的問題，對(duì)加熱溫度和保溫時(shí)間的調(diào)整，通過不斷的實(shí)驗(yàn)，摸索出理想的熱處理?xiàng)l件。

3.3 以液態(tài)氨為介質(zhì)的壓力容器的熱處理問題

以液態(tài)氨為介質(zhì)的壓力容器有著其自身的特殊性，不是所有的液態(tài)氨為介質(zhì)的壓力容器都需要進(jìn)行熱處理，這要根據(jù)應(yīng)力腐蝕的情況而定，可根據(jù)《鋼制壓力容器》的判斷標(biāo)準(zhǔn)而定。（1）以液態(tài)氨為介質(zhì)時(shí)，環(huán)境含水量應(yīng)該小于或等于0.2%，且可能受到空氣污染的場(chǎng)合。（2）使用溫度高于-5℃。凡是符合上述兩條的任何一條的，都需要進(jìn)行壓力容器的熱處理。在固定管板式換熱器中，當(dāng)殼層介質(zhì)為液氨的時(shí)候，應(yīng)采用分布多次熱處理的方法，先對(duì)換熱器殼體整體進(jìn)行一次部件的熱處理，然后在對(duì)殼體和管板焊接完以后得兩道焊縫進(jìn)行局部的熱處理。

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