淺析壓力容器設(shè)計(jì)中的熱處理問題

趙金龍

摘 要：在壓力容器的設(shè)計(jì)與制造過程中，為了能夠滿足壓力容器強(qiáng)度等指標(biāo)的需求，在容器成型之后就需要進(jìn)行熱處理技術(shù)的預(yù)處理。因此，熱處理就成為壓力容器設(shè)計(jì)中不可忽視的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文對壓力容器設(shè)計(jì)中的熱處理問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：壓力容器；設(shè)計(jì)；熱處理

一、熱處理基本工藝技術(shù)

開展熱處理，需要在加熱、保持溫度、冷卻階段進(jìn)行相互的協(xié)作，并且也是一門工序要求緊湊的工藝，其主要包含：第一，加熱方式。一般的加熱方式包含了直接加熱和間接加熱兩個(gè)方面，其直接加熱包含了液體、氣體、電加熱等，間接加熱則包含利用液態(tài)金屬或者是鹽的浮動(dòng)粒子來進(jìn)行間接的加熱。第二，在選擇溫度值以及控制溫度的時(shí)候，就需要在制造壓力容器的時(shí)候，在不同的反應(yīng)段作為溫度的控制，確保其處于相應(yīng)的區(qū)域范圍，這樣才能確保最大限度的提升金屬物料的材料強(qiáng)度，滿足壓力容器成品的質(zhì)量需求。第三，冷卻工藝。壓力容器因?yàn)椴煌挠猛?、不同的結(jié)構(gòu)類型以及不同的制造材料，所以在設(shè)計(jì)與制作中，就需要按照上述的規(guī)范，實(shí)施不同速度的冷卻，一般會(huì)選擇淬火，因?yàn)槠淅鋮s速度最快，不僅可以讓鋼件馬氏體組織得到保障，也可以提升工作本身的耐磨性、強(qiáng)度以及硬度，這樣就可以讓熱處理的后續(xù)工作能夠順利的實(shí)施。而正火冷卻的速度相對較慢，其可以改善材料的加工與切削性能，也可以提升其低碳鋼的整體力學(xué)性能。

二、壓力容器熱處理的前提條件

對于壓力容器來說，還需要注意合理設(shè)置在焊接之后的熱處理這一個(gè)環(huán)節(jié)。此外，在焊接之后，其熱處理?xiàng)l件較高，如針對大型處理設(shè)備，其消耗能量偏多，所以，就需要綜合的分析其安全性和經(jīng)濟(jì)性。目前，相關(guān)人員已經(jīng)可以確定焊接應(yīng)力較大會(huì)出現(xiàn)安全隱患，但是考慮其本身的復(fù)雜性，還無法確保其焊接應(yīng)力可以控制在一定的水平內(nèi)。因此，通過運(yùn)行條件、厚度、材質(zhì)等相關(guān)因素來判斷其熱處理，其標(biāo)準(zhǔn)主要包含了兩個(gè)方面：

第一，通用條件，其焊接應(yīng)力大小包含：

首先，材質(zhì)。一般來說，鋼材強(qiáng)度以及合金含量偏高，其焊接性能較差，在工藝條件相同的前提下，就可能面臨焊接缺陷。其次，鋼材厚度。鋼材厚度越大，就會(huì)出現(xiàn)越深的焊縫，當(dāng)其冷卻之后，會(huì)增強(qiáng)其收縮傾向，再加上剛性變大，就會(huì)進(jìn)一步增大抗收縮能力，這樣就會(huì)有殘余應(yīng)力出現(xiàn)。最后，預(yù)熱溫度。在焊接之前，通過預(yù)熱能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫部位以及對應(yīng)部位溫度梯度的減緩，從而防范高峰值焊接應(yīng)力的出現(xiàn)?；谏鲜鰩讉€(gè)方面，就需要按照對應(yīng)的厚度、材質(zhì)等來進(jìn)行設(shè)定。

第二，特殊條件。一般來說，不會(huì)考慮到材質(zhì)以及預(yù)熱溫度。其特殊條件包含：首先，存在應(yīng)力腐蝕的壓力容器明確。其次，注明用于極度危害介質(zhì)或者是高度危害介質(zhì)的低合金鋼制容器、碳素鋼制容器。不過特殊條件是在事故發(fā)生之后，基于其后果的嚴(yán)重性來分析的。

三、壓力容器設(shè)計(jì)中的熱處理分析

1、奧氏體不銹鋼材料

基于相關(guān)規(guī)范，奧氏體不銹鋼屬于不可熱處理的焊接，以及如何來連接之后的熱處理，以及在連接執(zhí)行之后如何做好熱處理的設(shè)置，但是都缺乏對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，奧氏體不銹鋼本身的可塑性和韌性良好，其殘余應(yīng)力的產(chǎn)生不大，不會(huì)存在冷作硬化的問題。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，需要緩解其壓力，以及進(jìn)行600-620℃的熱處理，并且保溫2小時(shí)。針對奧氏體不銹鋼來說，在400-850℃范圍內(nèi)，如果冷卻的速度過慢，就可能會(huì)有晶間腐蝕的問題出現(xiàn)，這樣就可能導(dǎo)致物質(zhì)出現(xiàn)敏化。在提升耐腐蝕要求，或者是當(dāng)環(huán)境溫度提高之后，考慮到實(shí)際的供應(yīng)需求，就需要對應(yīng)的進(jìn)行分析和探討，做好對應(yīng)事務(wù)的處理，這樣才可以滿足壓力容器的質(zhì)量要求。

2、復(fù)合板材料

復(fù)合板容器如何才能實(shí)施焊后熱處理，還需要重點(diǎn)分析。一般來說，如果基體材料需要進(jìn)行焊后的熱處理，那么利用復(fù)合板生產(chǎn)容器，就需要進(jìn)行對應(yīng)的操作。在實(shí)施熱處理之前，首先要分析復(fù)合板材料本身對于熱處理帶來的影響，再分析熱處理對于耐腐蝕性帶來的影響。一般選擇不銹鋼復(fù)合板，這樣就會(huì)在焊后熱處理之后帶有一定的影響，并且逐漸炭化，甚至還有可能會(huì)出現(xiàn)σ階段，導(dǎo)致復(fù)合板材料層的性能受到損傷，破壞其機(jī)械性能和耐腐蝕性。所以，選擇不銹鋼復(fù)合板的時(shí)候，就需要實(shí)現(xiàn)焊后熱處理。在焊后熱處理對應(yīng)的發(fā)展中，需要分析對材料本身的要求，并且考慮對材料腐蝕性能會(huì)帶來怎樣的影響。

3、基于液態(tài)氨作為介質(zhì)的壓力容器

基于鋼制壓力容器對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，在16MnR（Q345R）下，其密度為7.85t/m

，熔點(diǎn)達(dá)到1430℃，其[σ]t見表1所示。

σ σT<0.9s，所以，在達(dá)到水壓試驗(yàn)要求強(qiáng)度中，如果應(yīng)力沒有消除，就會(huì)降低容器壓力，由于壓力容器與液氨介質(zhì)接觸中還需要考慮到下述條件，這樣才能讓其具有應(yīng)力腐蝕環(huán)境，在焊接之后，就應(yīng)該進(jìn)行對應(yīng)的熱處理。第一，液態(tài)氨介質(zhì)，其本身的水含量不會(huì)超出0.2%，并且可能會(huì)受到環(huán)境的污染。第二，當(dāng)壓力容器使用溫度超過零下五度，在這里還需要說明，如果殼程介質(zhì)屬于液氨固定管板式換熱器，這一結(jié)構(gòu)在焊接之后就不能整體的進(jìn)行熱處理，需要利用分部的方式，也就是進(jìn)行部件的熱處理，之后等管板與殼體焊接之后，就可以局部的進(jìn)行焊縫的熱處理。

4、壓力容器設(shè)計(jì)熱處理技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)

按部就班的針對壓力容器設(shè)計(jì)熱處理問題，其還需要考慮：第一，在壓力容器設(shè)計(jì)中，在熱處理之中焊接元件。第二，壓力容器制造中，等待技術(shù)檢驗(yàn)以及焊接工藝滿足標(biāo)準(zhǔn)要求之后，方可進(jìn)行熱處理，之后再試試耐壓性實(shí)驗(yàn)。第三，針對管板式壓力容器，在實(shí)施焊接之后，需要做好應(yīng)力消除的熱處理，但是如果壓力容器沒有選擇不銹鋼，則不需要。第四，對于低合金鋼以及碳素鋼的焊接，其管箱側(cè)向開孔要大于圓筒內(nèi)直徑的三分之一，或管箱內(nèi)焊有分程隔板的，在實(shí)施焊接之后，需要做好應(yīng)力的消除處理。第五，基于不同的焊接點(diǎn)和材料，要按照對應(yīng)的熱處理技術(shù)來實(shí)施，最終確定其是否需要進(jìn)行熱處理。

5、焊接后熱處理方法分析

在實(shí)施焊接之后的熱處理，其主要是利用爐內(nèi)整體、分段、以及局部熱處理幾種方式，爐內(nèi)整體的熱處理主要是讓壓力容器或者是受壓元器件整體處于密封爐內(nèi)從而進(jìn)行整體的處理，一般情況下，首先都需要進(jìn)行整體的熱處理。如在規(guī)定中有明確的闡述，高壓容器、中壓反應(yīng)容器以及存儲(chǔ)液化石油氣的臥式儲(chǔ)罐、移動(dòng)式壓力容器，都需要實(shí)施整體的爐內(nèi)熱處理。對于無法進(jìn)行整體爐內(nèi)熱處理的大型壓力容器，如球罐，就可以選擇電熱法、熱風(fēng)法等方式進(jìn)行處理，一般大型容器可以進(jìn)行分段的爐內(nèi)熱處理。對于爐內(nèi)的部分熱處理操作，還應(yīng)該與整體的熱處理規(guī)定相匹配。另外，針對B、C、D類的焊接接頭，以及連接圓筒的A類焊接接頭，可以考慮到局部的熱處理。

結(jié)束語

總而言之，科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和進(jìn)步，使得壓力容器技術(shù)逐漸成為我們視野內(nèi)一種綜合性極強(qiáng)的科學(xué)技術(shù)，而其實(shí)際的運(yùn)行就受到人們的廣泛關(guān)注。實(shí)施熱處理工藝，其本身關(guān)系到人身安全與財(cái)產(chǎn)安全，隨著對熱處理技術(shù)要求的進(jìn)一步提升，就需要能夠通過技術(shù)的有效革新，為壓力容器的設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)條件，最終提升容器的穩(wěn)定性和安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉超.壓力容器設(shè)計(jì)過程中的不確定性因素[J].建材與裝飾，2017（42）：54-55.

[2]陸云華.壓力容器設(shè)計(jì)過程中的問題及對策[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2017（19）：148-149.