低溫壓力容器焊后熱處理的方法探究

蔡和僑

（深圳巨濤機(jī)械設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518068）

低溫壓力容器主要分為設(shè)計(jì)工作溫度為-196℃以下的奧氏體不銹鋼容器和設(shè)計(jì)工作溫度為-20℃以下的碳素鋼、鐵素體不銹鋼、雙相不銹鋼制容器。低溫壓力容器的制造工程中，焊接是壓力容器制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但是焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)不同、大小不一的焊接應(yīng)力。焊后整體熱處理工藝可以有效地降低殘余應(yīng)力，是防止低溫壓力容器的低溫應(yīng)力脆性破壞的常用處理措施之一[1]。低溫壓力容器的焊后熱處理不僅是國(guó)標(biāo)中焊接接頭厚度大于16mm的碳鋼、低合金的部分進(jìn)行處理。還要對(duì)存儲(chǔ)危險(xiǎn)化學(xué)品的低溫壓力容器，工作時(shí)溫度低于-20℃的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備或大型設(shè)備，設(shè)部局部過(guò)于集中可能產(chǎn)生裂紋的設(shè)備等進(jìn)行焊后整體熱處理。

1 低溫壓力容器焊后熱處理

焊后熱處理的主要目的是降低應(yīng)力，所以也稱(chēng)降低應(yīng)力熱處理又稱(chēng)降低應(yīng)力退火，低溫壓力容器常采用整體熱處理來(lái)提高質(zhì)量。主要有三種整體熱處理的方法，第一：在固定爐中進(jìn)行整體熱處理，由于爐體體積的限制，這種方法只能用于容器體積比熱處理爐小的低溫壓力容器，這種方法進(jìn)行熱處理時(shí)一次完工，可以很好地控制熱處理的各種條件，主要優(yōu)點(diǎn)是加熱溫度穩(wěn)定均勻且溫差小，同時(shí)保溫效果良好并且可操控性強(qiáng)，降低應(yīng)力程度可以溫度高低和保溫時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)[2]；第二：在固定爐中進(jìn)行分段熱處理，此方法用于長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的容器，操作時(shí)先對(duì)一端進(jìn)行加熱處理，再調(diào)轉(zhuǎn)方向處理另外一端，需要注意的是中間重復(fù)加熱段長(zhǎng)度要大于1.5m，由于是分為兩步加熱，這種方法的主要缺點(diǎn)是難以控制兩次操作的溫度相近同時(shí)能耗相對(duì)于一般處理過(guò)程較大，由于各個(gè)部分在爐中的位置不同，加熱時(shí)溫度上升速度也不一樣，相對(duì)來(lái)說(shuō)熱處理過(guò)程的可控制性較差；第三：在固定爐外熱處理，此方法主要是對(duì)一些大型設(shè)備進(jìn)行熱處理，由于設(shè)備的體積太大無(wú)法進(jìn)廠，只能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行熱處理，此方法的缺點(diǎn)是加熱溫度、溫差以及溫度的升降速度不好控制。焊后熱處理過(guò)程能耗很高，這三種熱處理方式常采用燃料加熱和電加熱的加熱方法。

2 低溫壓力容器整體熱處理工藝

焊后熱處理過(guò)程的影響因素有很多，包括各種溫度，溫度升降速度，加熱保溫時(shí)間等。了解這些因素對(duì)焊后熱處理的影響可以更好的提升熱處理質(zhì)量，下面將就這些因素的影響進(jìn)行分析。

2.1 加熱溫度

容器鋼材強(qiáng)度除了受到自身材質(zhì)的影響外還與焊后熱處理的溫度有關(guān)，如果焊后熱處理過(guò)程的溫度過(guò)高，將會(huì)影響到鋼材強(qiáng)度，所以加熱溫度一般低于最低回火溫度?，F(xiàn)在低溫壓力容器常用的調(diào)質(zhì)低溫用碳素鋼的最低回火溫度多數(shù)為600℃，因此焊后熱處理的溫度必須低于600℃，并根據(jù)設(shè)計(jì)溫度和實(shí)際施工條件來(lái)確定加熱溫度[3]。

2.2 保溫溫度

在熱處理時(shí)一般規(guī)定保溫溫度為550℃,保溫溫度影響著熱處理后的殘余應(yīng)力。保溫溫度必須低于相變溫度和鋼材的回火溫度且不能降低母材和焊接區(qū)的使用性能。同時(shí)保溫溫度還與鋼材的應(yīng)力松弛，淬硬區(qū)的軟化以及焊接氣體的排除有關(guān)。保溫過(guò)程是整個(gè)熱處理過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié)，對(duì)于整個(gè)熱處理后的效果至關(guān)重要。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所知，如果保溫溫度過(guò)低,就算增長(zhǎng)保溫時(shí)間,達(dá)到預(yù)期效果的可能性很低。國(guó)外有研究表明,保溫溫度低于某一溫度時(shí)就不能得到焊后熱處理應(yīng)有的效果[4]。

2.3 保溫時(shí)間

保溫時(shí)間所需要考慮的因素應(yīng)力松弛程度、淬硬區(qū)是否軟化、焊接氣體的殘留、組織是否穩(wěn)定等方面。同時(shí)選擇保溫時(shí)間時(shí)還必須保證不會(huì)降低母材和焊接區(qū)的使用性能且盡可能合理的縮短制造時(shí)間。在熱處理過(guò)程中當(dāng)所遇到加熱溫度低于正規(guī)加熱溫度時(shí),按照現(xiàn)行的規(guī)定,一般都采用大幅度地延長(zhǎng)保溫時(shí)間的措施，來(lái)彌補(bǔ)溫度的不足所帶來(lái)的影響。然而保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng),焊縫的位置在高溫的作用下會(huì)發(fā)生很多其他的化學(xué)反應(yīng)，常常會(huì)引起焊縫金屬結(jié)晶粗大,碳化物聚集或脫碳層厚度增加等問(wèn)題,進(jìn)而使得容器的機(jī)械性能、蠕變強(qiáng)度及缺口韌性下降，影響了容器的質(zhì)量。

2.4 加熱速度

加熱速度的選擇必須確保加熱時(shí)厚壁件的溫度均勻上升、還要考慮形狀尺寸變化所引起的溫度不均勻，加熱速度太快則可能發(fā)生變形或產(chǎn)生裂紋。加熱速度受到固定爐的限制，各個(gè)部位的所處位置不一樣，加熱時(shí)溫度上升也會(huì)存在差異，且熱處理工程的耗能很好，為了將制造時(shí)間保持在可控時(shí)間范圍內(nèi)同時(shí)也是為了節(jié)能減排，加熱速度不能太低。當(dāng)鋼板越厚加熱速度越低，且長(zhǎng)時(shí)間的加熱對(duì)控制系統(tǒng)有著很高的要求，所以加熱速度一般不低于50℃/h。

2.5 冷卻速度

冷卻速度的影響因素包括爐溫、母材和焊接區(qū)性能、再熱裂紋的產(chǎn)生等。必須確保冷卻時(shí)的溫度能夠均勻地降低，從而防止由于形狀和尺寸變化所引起的溫度不均勻現(xiàn)象發(fā)生。如果冷卻時(shí)溫度降低過(guò)快，出現(xiàn)變形裂紋的幾率會(huì)增大，還有可能會(huì)再次產(chǎn)生殘余應(yīng)力。為了縮短制造時(shí)間，一般來(lái)說(shuō)冷卻速度不低于50℃/h，對(duì)于厚度很大的結(jié)構(gòu)常采用200×25/t（℃/h）的冷卻速度，其中t為結(jié)構(gòu)的厚度。

2.6 出入爐出爐溫度

在進(jìn)行熱處理時(shí)，加熱件入爐和出爐時(shí)的溫度,一般低于400℃，主要是防止溫度過(guò)高引起的變形裂變。影響出入爐的因素主要是部件的尺寸和形狀，選擇出爐溫度時(shí)如果過(guò)高,在冷卻時(shí)有很大的可能再次產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力,甚至發(fā)生裂紋或變形。對(duì)一些特殊部件,甚至?xí)跍囟鹊陀?00℃后，才出爐。

3 結(jié)語(yǔ)

上文介紹了常用的低溫壓力容器的焊后熱處理方法和熱處理中的重要影響因素，嚴(yán)格的按照相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，就會(huì)提高焊后熱處理的效果。在實(shí)際工程中，熱處理工作是一個(gè)很長(zhǎng)的過(guò)程，在進(jìn)行熱處理之前，就要根據(jù)產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)和材料以及預(yù)期達(dá)到的效果，來(lái)調(diào)節(jié)熱處理過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)，并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)及要求執(zhí)行。

[1]李建國(guó).壓力容器分析設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題[J].化工設(shè)備與管道，2001，（03）

[2]劉國(guó)偉.焊接后熱與焊后熱處理溫度對(duì)焊接殘余應(yīng)力松弛的試驗(yàn)研究[J].壓力容器，1994（3）：26.

[3]孟雅薇，葛志強(qiáng).關(guān)于低溫壓力容器設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題的分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012，（32）：182-183.

[4]王玲玲.淺析低溫下壓力容器設(shè)計(jì)需注意的問(wèn)題[J].河南科技，2014，（11）：132-133.