壓力容器設(shè)計(jì)制造中的熱處理問題分析

劉亞楠

(中鹽工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300450)

在壓力容器生產(chǎn)制造過程中，熱處理能有效改善材料性能，同時(shí)可有效減少壓力容器在焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，提高壓力容器各類焊縫處的性能。隨著化工等行業(yè)的發(fā)展，壓力容器的應(yīng)用場(chǎng)景越來越多，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，并且在工業(yè)中的應(yīng)用地位越來越高。為了保障設(shè)備使用安全，延長(zhǎng)其使用壽命，降低行業(yè)發(fā)展的成本消耗，在壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)要關(guān)注熱處理問題。

1 熱處理技術(shù)以及壓力容器熱處理的重要性

當(dāng)今石化行業(yè)已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，石化行業(yè)中有許多高溫高壓反應(yīng)的生產(chǎn)工藝，壓力容器在其中得到了廣泛應(yīng)用。壓力容器作為承載受壓器件，內(nèi)部工藝介質(zhì)多為高壓、高溫和具有腐蝕性的氣體或液體。運(yùn)行必須可靠和安全，壓力容器一旦失效損毀，其破壞力和泄露的介質(zhì)將產(chǎn)生可怕的后果。壓力容器的可靠性與制造用的鋼材有著重要的關(guān)系。在進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)選材時(shí)，不僅要考慮其強(qiáng)度、韌性、塑性和耐腐蝕性，也要考慮加工焊接性能等。正確選材和采用合理熱處理方式，能保證壓力容器安全運(yùn)行。

熱處理是通過在固態(tài)范圍內(nèi)對(duì)金屬進(jìn)行加熱、保溫和冷卻的方法，改變金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，改善金屬性能的工藝。多數(shù)金屬材料在加熱、保溫和冷卻時(shí)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而引起性能的變化。金屬材料要做到有良好的使用性能，僅靠單純調(diào)整其化學(xué)成分也無法到達(dá)要求，為滿足加工和使用上的要求，熱處理成為必要工序。

壓力容器的使用環(huán)境比較復(fù)雜和危險(xiǎn)，所以要高度保障其運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，否則容易產(chǎn)生工業(yè)事故，造成財(cái)產(chǎn)損失和人身危害。因此，壓力容器設(shè)計(jì)過程中，性能以及材料都要進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)。壓力容器熱處理的質(zhì)量效果，直接影響著壓力容器本身的質(zhì)量效果和工作效率，因此，設(shè)計(jì)人員要掌握一定的專業(yè)知識(shí)和技能，選取合理的熱處理方式，保障壓力容器的使用性能。

2 壓力容器設(shè)計(jì)制造中的熱處理問題

根據(jù)目的以及加熱溫度和冷卻方式不同，熱處理主要分為三大類：整體熱處理(如退火、正火、淬火和調(diào)質(zhì)等)；表面熱處理(如表面淬火和回火、化學(xué)氣相沉淀和等離子化學(xué)氣相沉淀等)；化學(xué)熱處理(如滲碳、碳氮共滲和熔滲等)。壓力容器大多數(shù)是鋼板卷焊結(jié)構(gòu)，許多熱處理過程是結(jié)合熱成型(如筒體熱卷、封頭熱沖壓等)工藝進(jìn)行的。但應(yīng)用到壓力容器熱處理的種類較少，常用熱處理方式有退火、正火及淬火等，奧氏體不銹鋼則有固溶化處理和穩(wěn)定化處理。

2.1 不銹鋼及其熱處理

不銹鋼作為壓力容器設(shè)計(jì)制造常用材料，具有耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。目前，將含Cr量大于10.5%且具有不銹性和耐酸性能的一系列鐵基合金定義為不銹鋼。不銹鋼的分類方法很多，目前常用的是按照鋼的組織狀態(tài)分類，即馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼五類，壓力容器設(shè)計(jì)制造中常用到下面三種不銹鋼。

2.1.1 鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼的成分特點(diǎn)是高鉻低碳，組織為單相鐵素體。鐵素體不銹鋼在退火或正火狀態(tài)下使用，強(qiáng)度較低、塑性很好。主要應(yīng)用于對(duì)耐蝕性要求高而強(qiáng)度不高的工況，例如化工設(shè)備、容器和管道等。鐵素體不銹鋼在加熱冷卻過程中不發(fā)生相變，因而不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，可通過加入Ti、Nb等強(qiáng)碳化物形成元素或經(jīng)冷塑性變形及再結(jié)晶來細(xì)化晶粒。這類鋼廣泛應(yīng)用于硝酸和氮肥工業(yè)的耐蝕件。

2.1.2 奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼的成分特點(diǎn)是低碳高鉻鎳，C含量大多在0.10%以下，組織為單相奧氏體。奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性、冷熱加工性及焊接性，高的韌性和塑性。典型鋼號(hào)如Cr18Ni9型(即18-8型不銹鋼)，鋼中常加入Ti或Nb以防止晶間腐蝕。其強(qiáng)度、硬度很低，塑性、韌性和耐蝕性均較馬氏體型不銹鋼更好。奧氏體不銹鋼較適宜作冷成型，其焊接性能也較好。與馬氏體型不銹鋼比較，其機(jī)械加工(如切削)性能較差，當(dāng)碳化物在晶界析出時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象，應(yīng)力腐蝕傾向也較大。

奧氏體不銹鋼常用的熱處理為固溶處理，即加熱到920 ℃～1 150 ℃使碳化物溶解后水冷，獲得單相奧氏體組織。對(duì)于含Ti或Nb的鋼，在固溶處理后還要進(jìn)行穩(wěn)定化處理，即加熱到850 ℃～880 ℃，使鋼中Cr的碳化物完全溶解，而Ti或Nh的碳化物不完全溶解，然后緩慢冷卻，使TiC充分析出，以防止發(fā)生晶間腐蝕。

2.1.3 鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼

鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼是指金相組織由鐵素體和奧氏體兩相組成的不銹鋼，其固溶組織中鐵素體和奧氏體各占一半，一般較少相的含量至少在30%以上。

這類鋼提高了Cr含量或加入其它鐵素體形成元素，其晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕破壞傾向較小，強(qiáng)度、韌性和焊接性能較好。鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特性，與鐵素體不銹鋼相比，它的韌性高、脆性轉(zhuǎn)變溫度低、耐晶間腐蝕和焊接性能顯著提高，但仍能保留470 ℃脆性、σ相脆性等。與奧氏體不銹鋼相比，其強(qiáng)度水平高，其屈服強(qiáng)度是奧氏體不銹鋼的2倍，此外耐晶間腐蝕、耐應(yīng)力腐蝕破裂、耐腐蝕疲勞性能顯著提高。因?yàn)榫哂幸陨咸攸c(diǎn)，鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼的應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛。壓力容器常用不銹鋼熱處理參數(shù)見表1[1]。

表1 常用不銹鋼熱處理參數(shù)Tab.1 Common heat treatment parameters of stainless steel

續(xù)表1 (Continue)

2.2 壓力容器焊后熱處理

壓力容器在經(jīng)過焊接后，為消除殘余應(yīng)力，需要進(jìn)行焊后熱處理。其方式可分為整理熱處理、局部熱處理和分段熱處理。如條件允許，優(yōu)先采用爐內(nèi)整體加熱的方式；當(dāng)條件不具備時(shí)，可采用分段熱處理，但應(yīng)控制重復(fù)加熱長(zhǎng)度不小于1.5 m，且相鄰部分應(yīng)進(jìn)行保溫，從而避免產(chǎn)生溫度梯度影響材料的組織性能。B、C、D、E類焊接接頭允許采用局部熱處理，在做局部熱處理時(shí)，為避免產(chǎn)生有害變形，可擴(kuò)大加熱范圍，同時(shí)也要注意控制溫度梯度。常用鋼材推薦的焊后熱處理見表2[2]。

表2 常用鋼材推薦的焊后熱處理Tab.2 Recommended post weld heat treatment for common steel

3 結(jié)束語

壓力容器作為工業(yè)生產(chǎn)的常用設(shè)備，壓力容器的安全性和穩(wěn)定性對(duì)行業(yè)生產(chǎn)效率有著直接影響，不管是任何形式的危險(xiǎn)，都可能對(duì)工業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的破壞。為了進(jìn)行更加穩(wěn)定高效地生產(chǎn)發(fā)展，壓力容器的熱處理必須落實(shí)到位，相關(guān)人員仔細(xì)區(qū)分金屬材料性質(zhì)，選擇最佳處理方案，實(shí)現(xiàn)壓力容器應(yīng)用的最大效果，有效保障壓力容器在各種工作環(huán)境下使用的安全性。