壓力容器燃?xì)庹w熱處理裝置分析

姜志堅(jiān)

摘 要：壓力容器設(shè)計(jì)中的熱處理雖然有著消耗能量大和周期較長(zhǎng)的諸多缺點(diǎn)，并且在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中因?yàn)閴毫θ萜鹘Y(jié)構(gòu)等諸多方面面臨種種困境，但是目前，熱處理仍然是壓力容器設(shè)計(jì)中唯一能被行業(yè)接受的消除焊接殘余應(yīng)力的方法。

關(guān)鍵詞：壓力容器設(shè)計(jì)；熱處理；壓力容器

壓力容器的用途比較廣泛，具有能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者物理反應(yīng)、能夠傳導(dǎo)熱能、能夠進(jìn)行分離和存儲(chǔ)以及具有耐壓性能等功能，在能源工業(yè)、科學(xué)研究事業(yè)、軍隊(duì)工程以及石油化工工程等多種行業(yè)具有舉足輕重的地位。壓力容器的使用環(huán)境比較惡劣，設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜，如果壓力容器一旦被損壞，造成的影響也十分嚴(yán)重。所以，要選取合適的材料和方法進(jìn)行熱處理技術(shù)，以保證壓力容器的質(zhì)量，確保這種大型的壓力容器的安全性和可靠性。

一、熱處理基本工藝技術(shù)分析

熱處理技術(shù)基本上主要是加熱、保溫和冷卻三個(gè)基本過(guò)程的有機(jī)配合和銜接的技術(shù)。首先，熱處理的溫度值是一個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一。制定和控制適當(dāng)?shù)臏囟戎捣秶翘岣邿崽幚碣|(zhì)量的重要問(wèn)題，但是由于在壓力容器的設(shè)計(jì)中因使用不同的金屬或者合金材料，必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臏囟戎?，才能保證金屬材料的基本性能得到最大的潛力發(fā)揮，才能獲得較高的容器質(zhì)量。其次，金屬材料加熱后必然需要冷卻的過(guò)程。工業(yè)生產(chǎn)上要求因壓力容器的材質(zhì)不同和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不同，必須采用不同的冷卻速度。人們?cè)诓粩嗟靥剿鲗?shí)踐中，主要設(shè)定三種冷卻速度和一種冷卻方式，即冷卻速度最慢的退火、冷卻速度比較快的正火、冷卻速度最快的淬火以及與淬火十分密切的回火。第三，熱處理的加熱技術(shù)是重要的設(shè)計(jì)程序之一。現(xiàn)今的加熱方法有很多種，比如，以液體或者氣體燃料作為熱源或者以電加熱等進(jìn)行直接加熱。也可以利用液態(tài)鹽或金屬，以至浮動(dòng)粒子進(jìn)行間接加熱。

二、壓力容器設(shè)計(jì)中熱處理問(wèn)題

（一）復(fù)合板式壓力容器熱處理

復(fù)合板式壓力容器的焊接后熱處理問(wèn)題必須要重視考慮和處理。一般而言，構(gòu)成復(fù)合板的基層材料要進(jìn)行焊接后熱處理時(shí)，那么，以該材料制成的壓力容器也必須進(jìn)行焊接后的熱處理技術(shù)，并且必須考慮到熱處理對(duì)復(fù)合板式的材料的化學(xué)性和物理性的不利影響。因?yàn)檫@種熱處理技術(shù)在很大程度上能夠使復(fù)合材料以及焊接處發(fā)生碳化，從而使材料的性能變?nèi)酰踔料??；谝陨?，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)復(fù)合板式的壓力容器的熱處理時(shí)，要考慮到熱處理對(duì)復(fù)合板式的材料的化學(xué)性和物理性的不利影響，以免影響復(fù)合材料的耐腐蝕性?；旧蠌?fù)合板式的壓力容器所使用的材料應(yīng)該符合以下要求：第一，碳質(zhì)鋼的厚度要大于或等于圓筒內(nèi)直徑的3%；第二，其他的合金鋼材的厚度要大于或等于圓筒內(nèi)直徑的2.5%。

（二）金屬材料壓力容器熱處理

金屬焊接后進(jìn)行的熱處理技術(shù)原理：高溫下，金屬或者合金材料的變形指數(shù)降低，高應(yīng)力處就會(huì)產(chǎn)生流型變化，以消除焊接后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，完善焊接后的韌度，最終提高金屬的抗腐蝕性。比較適應(yīng)這種原理的金屬材料的結(jié)構(gòu)是體心立方晶體結(jié)構(gòu)，相反地，奧氏體不銹鋼的金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)是面心立方體結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)的不同點(diǎn)主要表現(xiàn)在面心立方體的滑移面比較多，從而體現(xiàn)其較好的韌性。此外，設(shè)計(jì)壓力容器必須遵循的目的是防腐和溫度，而奧氏體不銹鋼的金屬材料符合此目的以及其市場(chǎng)價(jià)格比較昂貴，材料的壁厚度相對(duì)較薄，所以對(duì)于以?shī)W氏體不銹鋼為金屬材料的壓力容器沒(méi)有必要進(jìn)行熱處理技術(shù)的處理。這是因?yàn)橐詩(shī)W氏體不銹鋼為材料的壓力容器的塑性和韌性比較好，其殘余應(yīng)力的性能比較小，當(dāng)冷卻后金屬材料硬化的后果比較低。然而理論上的消除應(yīng)力熱處理技術(shù)的溫度范圍為：600℃-620℃，保溫時(shí)間為兩個(gè)小時(shí)；在 400℃-850℃的溫度范圍內(nèi)，對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行緩慢冷卻后會(huì)發(fā)生材料結(jié)構(gòu)間的腐蝕，形成奧氏體不銹鋼的過(guò)敏化。所以當(dāng)要求比較高的抗腐蝕性或者高溫要求時(shí)，設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)需要制定適應(yīng)的熱處理方法，以保證壓力容器的性能。

三、壓力容器燃?xì)庹w熱處理裝置

壓力容器是指因設(shè)備重量大或運(yùn)輸?shù)缆废拗?，需在現(xiàn)場(chǎng)制造（組焊）完成的壓力容器。隨著石化工業(yè)的發(fā)展，各種化工鋼制塔、容器呈越來(lái)越大型化的趨勢(shì)，如丙烯腈反應(yīng)器的直徑近9m，高度達(dá)30m左右。對(duì)如此大的壓力容器進(jìn)行焊后整體熱處理已成為亟待解決的技術(shù)難題。目前常用的壓力容器熱處理技術(shù)有電加熱法及燃油法兩種，但這兩種方法在進(jìn)行大型壓力容器整體熱處理時(shí)均存在不同程度的技術(shù)缺陷。中國(guó)石油東北煉化工程有限公司研制的大型壓力容器燃?xì)庹w熱處理裝置（型號(hào)：HT-Q500A）適用于各種壓力容器、球罐、非標(biāo)設(shè)備等焊后整體熱處理，尤其適用于石化行業(yè)大型壓力容器焊后整體熱處理。該裝置以液化氣或天然氣等清潔能源為燃料，采用多臺(tái)燃燒器分層同時(shí)供熱，利用設(shè)置在壓力容器內(nèi)部的導(dǎo)流裝置對(duì)熱氣流進(jìn)行導(dǎo)流，有效地提高了壓力容器內(nèi)部熱循環(huán)效果；采用自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)熱處理過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，確保了整體熱處理的質(zhì)量。該裝置克服了現(xiàn)有電加熱法、燃油法及傳統(tǒng)燃?xì)夥ǖ燃夹g(shù)的各種缺陷，具有供熱能力強(qiáng)、內(nèi)部熱循環(huán)效果好、自動(dòng)控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。此外，該裝置采用含硫量偏低的液化氣作為燃料，有效地降低了燃料燃燒過(guò)程中硫化物對(duì)焊接接頭使用性能的影響，而且對(duì)環(huán)境污染也小，滿(mǎn)足了石化行業(yè)對(duì)大型壓力容器焊后整體熱處理施工的特殊要求。該裝置應(yīng)用于吉化集團(tuán)丙烯腈工程等多項(xiàng)大型工程熱處理施工現(xiàn)場(chǎng)，控溫準(zhǔn)確、效果好。

四、結(jié)束語(yǔ)

壓力容器設(shè)計(jì)中進(jìn)行的熱處理技術(shù)是運(yùn)用相應(yīng)介質(zhì)，將壓力容器所使用的金屬材料或者合金材料進(jìn)行加熱、保溫和冷卻過(guò)程，進(jìn)而在不改變金屬材料的外部形狀的情況下，使其內(nèi)部的纖維組織及其部分化學(xué)成分發(fā)生改變，以調(diào)控金屬材料的基本性能并使其得到最大的潛力發(fā)揮的技術(shù)。熱處理技術(shù)對(duì)于改善壓力容器的金屬材料以及完善其金屬本質(zhì)性能具有重要的作用。

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