壓力容器設(shè)計中的熱處理問題分析

董海濤　楊健

摘 要：首先提出了壓力容器設(shè)計過程中存在的問題，隨后給出問題的解決方案即熱處理，最后著重分析了焊后熱處理的目的、必要性以及如何進行熱處理工作。

關(guān)鍵詞：壓力容器；熱處理；壓力容器設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.044

0 引言

在設(shè)計過程中壓力容器會存在一些不可避免的問題：過度的冷加工工藝如冷矯形、冷卷等導(dǎo)致壓力容器冷作硬化。焊接導(dǎo)致壓力容器焊縫區(qū)性能和組織。焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及相關(guān)應(yīng)力導(dǎo)致腐蝕裂紋。

1 壓力容器設(shè)計過程中的問題

在設(shè)計過程中壓力容器會存在一些不可避免的問題：過度的冷加工工藝如冷矯形、冷卷等導(dǎo)致壓力容器冷作硬化。焊接導(dǎo)致壓力容器焊縫區(qū)性能和組織。焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及相關(guān)應(yīng)力導(dǎo)致腐蝕裂紋。

壓力容器在焊接工序中，由于焊接件在相鄰區(qū)域易造成急劇溫度梯度，引起鐵素體鋼或類似材料內(nèi)不均勻的塑性應(yīng)變，導(dǎo)致材料的屈服應(yīng)力在隨后的冷卻工序中超過屈服點的殘余應(yīng)力。 此外，上述殘余應(yīng)變既有熱力工序的原因（主要是焊接工序產(chǎn)生的）也有機械工序產(chǎn)生的（主要是冷矯形、冷卷等冷加工）。 也就是說，在壓力容器設(shè)計加工的最后產(chǎn)品里面存在殘余的彈性應(yīng)變場，并需要承受其帶來的彈性殘余應(yīng)力。而這些殘余應(yīng)力會極大的影響產(chǎn)品的使用性能。

2 壓力容器的熱處理種類介紹

熱處理作為恢復(fù)和改善金屬性能的有效辦法，目前的分類很多，分類也較不統(tǒng)一。壓力容器的熱處理主要有四種：改善鋼材性能的熱處理，焊后熱處理，恢復(fù)鋼材性能的熱處理，焊后的消氫處理。本文主要針對焊后熱處理，這是在壓力容器設(shè)計中應(yīng)用最為廣的一種處理方法來進行分析討論。

3 壓力容器設(shè)計中的焊后熱處理

3.1 PWHT的目的

壓力容器設(shè)計PWHT的目的主要有以下五個方面：（1）降低焊接工序產(chǎn)生的參與應(yīng)力；（2）穩(wěn)定鋼材的尺寸和形狀，減少鋼材畸變，使壓力容器保持穩(wěn)定；（3）改善鋼材和焊接區(qū)的性能，如，提高焊縫處材料的塑性；降低焊縫熱影響區(qū)的硬度；提高鋼材的斷裂韌性；改善鋼材的疲勞強度；提高冷成型工序中鋼材降低的屈服強度；（4）提高鋼材抗應(yīng)力、抗腐蝕的能力；（5）排出焊接區(qū)域的氫或其它有害氣體，防治產(chǎn)生裂紋。

3.2 PWHT的必要性

壓力容器有無進行PWHT的必要，需要在設(shè)計上進行明確規(guī)定，目前壓力容器的相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求必須進行PWHT。

經(jīng)上文分析可知，焊接過的壓力容器，在壓力容器設(shè)計加工的最后產(chǎn)品里面存在殘余的彈性應(yīng)變場，即其帶來的殘余應(yīng)力。一旦焊縫中進入氫，氫會與這些殘余應(yīng)力相結(jié)合，導(dǎo)致焊縫的熱影響區(qū)脆化，產(chǎn)生延遲裂紋和冷裂紋。此外，若壓力容器內(nèi)的殘余靜應(yīng)力與鋼材的腐蝕效果結(jié)合時，還會產(chǎn)生裂紋狀腐蝕，也就是應(yīng)力腐蝕。

壓力容器是否要PWHT，需從鋼材的尺寸、用途、工作條件、所用材料的性能等多方面進行綜合考慮來決定。但是若有以下6項所列情形的，均應(yīng)考慮PWHT：（1）壓力容器的使用條件較為苛刻；（2）壓力容器厚度超過常規(guī)的焊制壓力容器；（3）壓力容器對尺寸及穩(wěn)定性要求較為苛刻；（4）壓力容器需要由淬硬傾向高的鋼材制造；（5）壓力容器有裂紋狀腐蝕危險；（6）其它有專門規(guī)定的壓力容器。

在焊接鋼材料的壓力容器時，靠近焊縫的區(qū)域容易達到屈服應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力與奧氏體組織的轉(zhuǎn)變有關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究表明，想要消除焊接后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，需要采用的回火溫度是650℃。

隨著鋼的溫度變高，屈服強度會降低，鋼材的彈性形變轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫儯瑢崿F(xiàn)應(yīng)力松弛。而且加熱的溫度越高，鋼材的殘余應(yīng)力消除的越多。但由于溫度過高時鋼材表面會出現(xiàn)氧化，并且PWHT溫度原則上不能高于鋼材原來的回火溫度，因此一般設(shè)定PWHT溫度為比原回火溫的溫度低30℃，這一點尤為重要。

3.3 消氫處理

焊接后的消氫處理，指的是在完成焊接后，在焊縫區(qū)域鋼材冷卻至100℃之前，所做的低溫?zé)崽幚恚话阋?guī)定消氫處理的溫度為200-350℃，并保持溫度2-6個小時。焊接后的消氫處理目的是為了加快排除焊縫及熱影響區(qū)中的氫或其它有害氣體。消氫處理對于預(yù)防低合金鋼在之前焊接工序中產(chǎn)生焊接裂紋的效果極好。

3.4 消應(yīng)力處理

經(jīng)上文分析可知，在焊接工序中，由于不均勻的冷卻和加熱，以及鋼材自身的拘束，在焊接工序后，鋼材內(nèi)部中會存在焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力會極大降低焊接區(qū)域的承載能力，造成塑性變形，如果再嚴重點還可能破壞壓力容器的整體結(jié)構(gòu)。

消應(yīng)力熱處理，指的是將完成焊接的壓力容器置于高溫中，降低其屈服強度，以此消除焊接應(yīng)力。通常有兩種方法：（1）將整個壓力容器高溫回火，即把壓力容器整個放到加熱爐內(nèi)，均勻加熱到指定溫度并保持適當時間后進行冷卻處理。這種方法可以降低80%～90%的應(yīng)力；（2）將局部壓力容器進行高溫回火，即只對壓力容器的焊縫區(qū)域進行高溫加熱后，進行緩慢的冷卻處理，降低壓力容器焊接處應(yīng)力峰值，平緩應(yīng)力分布。

3.5 PWHT綜合效果的考慮

在通常情況下，PWHT是在需要降低殘余應(yīng)力，并嚴格限定壓力容器的應(yīng)力腐蝕情況下才會進行。因為，從鋼材的沖擊韌性實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PWHT會降低熔敷金屬焊接區(qū)域的韌性，有時PWHT還會導(dǎo)致焊接區(qū)域晶間開裂。此外，由于PWHT最主要是通過高溫降低材料強度來消除應(yīng)力的，因此在PWHT時，鋼材有可能因高溫而失去剛性。對于采取PWHT的壓力容器，在進行熱處理前，要考慮好該鋼材在高溫下的性能。

4 結(jié)束語

壓力容器PWHT雖然能耗較大，所用時間長，但目前在壓力容器設(shè)計中它是唯一一個被各方都認同的消除焊接處殘余應(yīng)力的方法。當然，壓力容器PWHT也不是完美的，在考慮是否對壓力容器進行熱處理時，要綜合比較它的有利與不利兩個方面，分析制造壓力容器的鋼材是否能承受長時間的高溫而不降低其性能，分析所耗能量與時間是否與消除殘余應(yīng)力所得收益成正比，應(yīng)選用哪種熱處理方法等，待詳細分析后，再做出合理決定。

參考文獻：

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