熱處理技術(shù)在石油化工壓力容器中的應(yīng)用

楊曉東

(陽煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400)

引 言

一直以來，我國都十分重視石油化工行業(yè)的建設(shè)與發(fā)展，其中壓力容器是石油化工行業(yè)中的特種設(shè)備，也是該行業(yè)內(nèi)的重點(diǎn)設(shè)備。石油化工壓力容器的安全性對(duì)石化企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)具有重大影響，其中石油化工壓力容器的基體材料容易受到環(huán)境腐蝕影響，而容器的焊縫位置容易發(fā)生斷裂等失效情形，因此石油化工壓力容器必須針對(duì)其使用材料和使用環(huán)境選擇合適的熱處理工藝，并嚴(yán)格控制實(shí)施過程，以降低或消除石油化工壓力容器基體材料的殘余內(nèi)應(yīng)力，提高材料的機(jī)械性能，并提升石油化工壓力容器的使用壽命和穩(wěn)定性，進(jìn)而減少石油安全事故的發(fā)生。

1 熱處理技術(shù)的概念及重要性

熱處理技術(shù)是通過將金屬材料放置于某種介質(zhì)后，執(zhí)行特定的加熱、保溫和冷卻處理操作，進(jìn)而改善金屬材料內(nèi)部和表面組織結(jié)構(gòu)或材料成分，以實(shí)現(xiàn)改善金屬材料機(jī)械性能、消除殘余內(nèi)應(yīng)力的一種工藝過程。在石油化工壓力容器的生產(chǎn)加工過程中，折彎、焊接等加工工藝均會(huì)在基體內(nèi)產(chǎn)生不同程度的殘余內(nèi)應(yīng)力，這些殘余內(nèi)應(yīng)力會(huì)在一定程度上降低金屬材料的強(qiáng)度和抗疲勞能力，還容易造成材料脆性斷裂和應(yīng)力腐蝕，因此殘余內(nèi)應(yīng)力通常是基體發(fā)生斷裂等實(shí)效情形的根源。例如，高強(qiáng)度的鋼材料在生產(chǎn)過程中容易發(fā)生氫脆現(xiàn)象，為避免出現(xiàn)氫脆而采用的脫氫處理，同樣也屬于熱處理技術(shù)。同時(shí)，松弛的殘余內(nèi)應(yīng)力可能導(dǎo)致零件發(fā)生變形，進(jìn)而影響零件的尺寸精度，因此熱處理技術(shù)在金屬零件加工過程中尤為重要[1]。

2 熱處理技術(shù)的加工工藝

根據(jù)熱處理技術(shù)的目的，可以將熱處理劃分為預(yù)先熱處理和最終熱處理，預(yù)先熱處理是為消除上一道工序的缺陷或便于后面工序加工而設(shè)置的熱處理，最終熱處理則是為保證零件最終使用性能而設(shè)置的熱處理；根據(jù)熱處理技術(shù)的性質(zhì)，可劃分為普通熱處理、形變熱處理和化學(xué)熱處理。其中普通熱處理僅改變金屬材料的組織結(jié)構(gòu)，形變熱處理結(jié)合了材料形變強(qiáng)化與熱處理強(qiáng)化，前兩種熱處理工藝均為改變材料成分，而化學(xué)熱處理則會(huì)同時(shí)改變材料成分和組織結(jié)構(gòu)。

常見的熱處理技術(shù)有主要為回火、退火、淬火和正火，四種熱處理工藝的本質(zhì)均為在可控條件下對(duì)金屬材料進(jìn)行加熱、保溫和冷卻操作，因此保證對(duì)加熱、保溫、冷卻三項(xiàng)重要工藝環(huán)節(jié)的精確控制，則是提升石油化工壓力容器材料機(jī)械性能和穩(wěn)定性的重點(diǎn)。熱處理加熱過程通常使用內(nèi)燃法和電熱法兩種，當(dāng)金屬材料被加熱到某一特定溫度區(qū)間后，便要通過保溫技術(shù)將加熱后的金屬材料進(jìn)行一定時(shí)間的保溫，這個(gè)過程中金屬材料的組織結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度、硬度、殘余內(nèi)應(yīng)力，甚至是材料成分都會(huì)發(fā)生一定變化。達(dá)到保溫時(shí)間后則需要對(duì)材料進(jìn)行冷卻，金屬材料的冷卻速度也直接影響其自身的機(jī)械性能和組織結(jié)構(gòu)，最終使材料恢復(fù)至室溫以保證機(jī)械性能的穩(wěn)定性。

3 熱處理技術(shù)在石油化工壓力容器中的應(yīng)用

熱處理技術(shù)在石油化工壓力容器中的應(yīng)用，具體體現(xiàn)為：基體焊接前的預(yù)熱、焊接完成后的熱處理以及特殊化學(xué)熱處理。

3.1 焊接前預(yù)熱

將金屬材料升高到特定溫度進(jìn)行預(yù)熱處理，高溫可以改變基體材料的組織結(jié)構(gòu)，在一定程度上減小金屬材料的強(qiáng)度和硬度，改善金屬材料的焊接性能。針對(duì)石油化工壓力容器的焊接作業(yè)，預(yù)熱作用主要體現(xiàn)在三方面。一是對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱后，可以有效降低焊接后的冷卻速度，幫助基體材料焊接區(qū)域中氫的脫離，減小氫致斷裂的可能性，預(yù)熱能減緩焊后的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋。并能降低焊接區(qū)域的淬硬程度，增加其抗裂性[2]；二是通過整體或局部均勻預(yù)熱能夠縮小焊接位置與其他區(qū)域間的溫度差，從而能夠減小焊接應(yīng)力。同時(shí)預(yù)熱還減小了焊接應(yīng)變速率，從而可以有效防止焊接裂紋產(chǎn)生；三是預(yù)熱能夠減小焊接基體的拘束度，在一定范圍內(nèi)提高預(yù)熱溫度會(huì)降低裂紋的發(fā)生率。因此，在焊接石油化工壓力容器時(shí)，應(yīng)根據(jù)基體材料和焊條的具體化學(xué)成分，以及焊接結(jié)構(gòu)的剛性和具體焊接方式，確定具體的預(yù)熱的溫度與層間溫度。

3.2 焊接后熱處理

在石油化工壓力容器的焊接工作完成后，對(duì)其進(jìn)行熱處理操作目的主要有三類。一是為了除氫，當(dāng)對(duì)金屬材料進(jìn)行焊接后，焊接區(qū)域溫度仍高于100 ℃以上時(shí)，對(duì)該材料進(jìn)行低溫?zé)崽幚砜梢约铀俸附訁^(qū)域及其熱影響區(qū)內(nèi)氫的脫離，從而防止低合金鋼等石油化工壓力容器常用材料發(fā)生氫脆現(xiàn)象，降低焊接區(qū)域產(chǎn)生裂紋的可能性；二是消除焊接產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，殘余內(nèi)應(yīng)力主要來源于兩方面：一方面是焊接過程中材料由于發(fā)生快速升溫和冷卻，容易導(dǎo)致金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的內(nèi)應(yīng)力[3]。另一方面是焊接石油化工壓力容器時(shí)由于其本身或外界的拘束導(dǎo)致產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。焊接后通過局部或整體的高溫回火熱處理可以有效消除金屬材料的殘余內(nèi)應(yīng)力；三是改善材料的力學(xué)性能，石油化工壓力容器常用的合金鋼材料焊接后所形成的焊接接頭，其組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，并產(chǎn)生部分淬硬組織，從而破壞了金屬材料的機(jī)械性能，而通過焊接后熱處理就可以在一定程度上降低材料的硬度，改善焊接區(qū)域的塑性和韌性，使材料獲得較好的綜合力學(xué)性能，同時(shí)還能提升石油化工壓力容器內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以及其外形尺寸的穩(wěn)定性和精度。針對(duì)石油化工壓力容器的結(jié)構(gòu)件，普通材料的結(jié)構(gòu)件在焊接后僅需進(jìn)行去應(yīng)力退火熱處理即可，而對(duì)于部分中碳鋼和高碳鋼結(jié)構(gòu)件、補(bǔ)焊件和不同材料的焊接件，通常需要進(jìn)行能夠使基體材料組織結(jié)構(gòu)均勻化、成分均勻化，并能夠消除焊接內(nèi)應(yīng)力的正火熱處理[4]。

3.3 特殊化學(xué)熱處理

石油化工壓力容器包含眾多組成零件，由于各類零件的具體作用不同，所以零件所側(cè)重的機(jī)械性能也不同，因此石油化工壓力容器在生產(chǎn)制造過程中，零件通常包含一些特殊技術(shù)要求。一是部分零件表面需要較高的耐磨性，對(duì)于普通鋼零件可以采用滲碳淬火法，在零件表面形成高碳馬氏體硬化表層，而對(duì)于合金鋼零件用滲氮法能夠在零件表面形成合金氮化物的彌散硬化表層，兩種方式均能顯著提升零件表面硬度，硬度可以高達(dá)HRC60以上；二是部分零件要求有較高的疲勞強(qiáng)度，通過滲碳和滲氮等化學(xué)熱處理方式，均能夠鋼件的表面產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，從而使零件的疲勞強(qiáng)度得到提升；三是部分零件要求有較好的抗腐蝕性和抗高溫氧化性，其中通過滲氮化學(xué)熱處理能夠增強(qiáng)其抗腐蝕能力，在鋼件表面滲硅、滲鋁、滲鉻后，可以在零件表面生成一層穩(wěn)定、致密的SiO2、Al2O3、Cr2O3膜層，從而增強(qiáng)零件的高溫抗氧化性和抗蝕性。通過化學(xué)熱處理的方式，可以使石油化工壓力容器零件在保持自身高韌性基體材料的同時(shí)，額外獲得優(yōu)異的表面機(jī)械性能，從而使零件獲得了更佳的綜合性能[5-6]。

4 結(jié)語

石油化工行業(yè)對(duì)生產(chǎn)安全性要求極高，因此石油化工壓力容器必須有極高的安全性和穩(wěn)定性，這便對(duì)其材料的機(jī)械性能提出了更高的要求，而熱處理技術(shù)對(duì)于增強(qiáng)石油化工壓力容器材料性能具有十分重要的作用。在石油化工壓力容器的生產(chǎn)制造過程中，熱處理技術(shù)可以在一定程度上優(yōu)化材料的組織結(jié)構(gòu)，消除殘余內(nèi)應(yīng)力，并能提升材料的綜合性能以及部分機(jī)械性能，進(jìn)而增強(qiáng)了石油化工壓力容器材料的安全性和可靠性。