壓力容器設計制造中的熱處理問題分析

曹志峰

東營市特種設備檢驗所 山東東營 257091

壓力容器是承載了一定壓力的密閉設備，起到儲存、分離、交換介質以滿足用戶使用需求的作用。按照壓力容器的制造工藝、容器承壓等級、承裝介質的危害程度有著多種分類方法。企業(yè)為滿足生產(chǎn)工藝的要求，選用、購置了不同類別的壓力容器。壓力容器是大部分工業(yè)企業(yè)不能缺少的重要設備，與企業(yè)的生產(chǎn)息息相關。壓力容器存在潛在的安全風險，存在壓力容器的企業(yè)管理中，對壓力容器的使用、維護和管理都具有一定的難度，任何情況下，都不可能完全避免壓力容器潛在的安全事故發(fā)生，只有通過科學的管理方法，減少壓力容器發(fā)生事故的概率，保護人民群眾的生命財產(chǎn)安全，減少企業(yè)的經(jīng)濟損失。

1 熱處理技術以及壓力容器熱處理的重要性

當今石化行業(yè)已成為我國經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，石化行業(yè)中有許多高溫高壓反應的生產(chǎn)工藝，壓力容器在其中得到了廣泛應用。壓力容器作為承載受壓器件，內部工藝介質多為高壓、高溫和具有腐蝕性的氣體或液體。運行必須可靠和安全，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系。在進行壓力容器設計選材時，不僅要考慮其強度、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行。熱處理是通過在固態(tài)范圍內對金屬進行加熱、保溫和冷卻的方法，改變金屬內部組織結構，改善金屬性能的工藝。多數(shù)金屬材料在加熱、保溫和冷卻時內部組織結構會發(fā)生變化，從而引起性能的變化[1]。

2 壓力容器設計制造中的熱處理問題

2.1 不銹鋼及其熱處理

不銹鋼作為壓力容器設計制造常用材料，具有耐腐蝕的優(yōu)點。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，壓力容器設計制造中常用到下面三種不銹鋼。①鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼的成分特點是高鉻低碳，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，強度較低、塑性很好。主要應用于對耐蝕性要求高而強度不高的工況，例如化工設備、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，因而不能進行熱處理強化，可通過加入Ti、Nb等強碳化物形成元素或經(jīng)冷塑性變形及再結晶來細化晶粒。這類鋼廣泛應用于硝酸和氮肥工業(yè)的耐蝕件。②奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼的成分特點是低碳高鉻鎳，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，其機械加工（如切削）性能較差，當碳化物在晶界析出時，還會產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象，應力腐蝕傾向也較大。奧氏體不銹鋼常用的熱處理為固溶處理，即加熱到920℃～1150℃使碳化物溶解后水冷，獲得單相奧氏體組織。對于含Ti或Nb的鋼，在固溶處理后還要進行穩(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]。

2.2 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，其晶間腐蝕和應力腐蝕破壞傾向較小，強度、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，其強度水平高，其屈服強度是奧氏體不銹鋼的2倍，此外耐晶間腐蝕、耐應力腐蝕破裂、耐腐蝕疲勞性能顯著提高。因為具有以上特點，鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼的應用場景更加廣泛。

3 防范壓力容器設備安全風險的主要措施

3.1 嚴格控制壓力容器設備的質量

壓力容器屬于企業(yè)的大件設備、重要設備，質量容不得一點馬虎。企業(yè)立項過后，在壓力容器的設計標準和設備的制造商上就應當下功夫，從壓力容器的圖紙設計、技術標準到企業(yè)生產(chǎn)工藝等，都嚴格把控，設備制造廠家應有詳細的生產(chǎn)工藝流程、材料標準，這些在設備生產(chǎn)之前，企業(yè)與制造商必須有詳細的溝通。原材料的來源，材料使用過程中的質量控制、流程管理等都是設備質量的重要保障，如生產(chǎn)工藝中的焊接，不同的工藝水平會對設備產(chǎn)生重大影響，這都是對制造商的具體要求。對設備的使用環(huán)境、使用年限和使用規(guī)范都是保證壓力容器設備質量能夠得到保證的組成部分，在與設備制造商的溝通過程中都必須明確[3]。

3.2 及時處理容器腐蝕問題

壓力容器的腐蝕問題是一個常見且麻煩的問題，形成的原因主要有化學介質的問題，會導致壓力容器壁變得很薄，產(chǎn)生裂紋導致事故發(fā)生，因此，使用過程中，即使使用超聲波測厚儀、干分表等儀器對壓力容器器壁的腐蝕程度進行檢測分析，并進行詳細記錄，形成完整的檢測數(shù)據(jù)，掌握容器被腐蝕情況實時數(shù)據(jù)以及變化數(shù)據(jù)，根據(jù)分析情況決定是否采取干預措施，在這個過程中，對于壓力容器設備的附件進行經(jīng)常性的維護和檢測，減少安全事故發(fā)生的可能性。現(xiàn)代化的技術為數(shù)據(jù)采集和傳輸提供了極大的便利，設備實時運營數(shù)據(jù)不斷傳輸?shù)接嬎銠C形成數(shù)據(jù)庫，能夠有效監(jiān)測壓力容器是否被腐蝕以及腐蝕程度，通過前期的預案采取相應措施。

3.3 嚴格執(zhí)行日常管理規(guī)范

壓力容器在使用過程中，環(huán)境和設備的特殊性，對操作者本身就有一定的風險，為了盡可能避免安全事故發(fā)生概率，壓力容器使用單位應當根據(jù)壓力容器本身的特點和本身操作規(guī)程要求，制定詳細的安全規(guī)章管理制度，選擇符合要求并具有相應資質的操作人員，對他們開展使用培訓，并進行嚴格的考核，讓他們具備強烈的安全意識，提升操作人員本身的素質，減少事故的發(fā)生。

3.4 規(guī)范壓力容器的操作流程

規(guī)范的壓力容器操作流程能夠減少設備損耗，降低安全事故發(fā)生。操作規(guī)范主要是針對人員來說的，一方面要加強操作人員培訓，使他們形成規(guī)范操作意識，嚴格規(guī)范操作紀律，熟練掌握設備操作中的任何環(huán)節(jié)；另一方面，采用現(xiàn)代化技術，梳理設備操作流程，加強技術性監(jiān)督，確保人員能夠嚴格遵守設備操作流程，對操作流程中出現(xiàn)的任何問題及時處理并上報，形成操作日志或數(shù)據(jù)。

3.5 材料的合理使用

經(jīng)濟材料的使用是十分重要的一個環(huán)節(jié)，鋼板也是壓力容器最重要的部分。如今社會上廣泛使用的鋼板主要分為碳鋼板和復合鋼板、高合金鋼板等，在對鋼板材料進行選擇時，有必要結合實際應用等多因素進行考慮。對所選材料進行全面的評估，有必要考慮所選材料的實用性，另外，了解材料的相應特性比如選擇耐腐蝕材料等。另外，還要選擇具有更高的強度和更好的可焊接性的材料。這樣能夠在后期更好地使用焊接機等設備對材料進行加工。除此之外，還要對機械加工的特點以及制作工藝進行綜合考量，選擇相對合適的材料，使得材料能夠在加工后更好地進行應用，還有利于后期設備的維護與修理，在選擇材料時，也要注意材料的經(jīng)濟性。

3.6 數(shù)據(jù)設計的審核工作

對于壓力容器設計的工作，較為重要的便是確保各項數(shù)據(jù)的準確性，包括設計的溫度以及設計的壓力等等，通過相應的數(shù)據(jù)得出壓力容器的設計強度以及剛度等情況，這是壓力容器的穩(wěn)定性以及承受能力的重要指標。另外，還要注意壓力容器內部的一些元件的物理與化學特性，這是壓力容器設計的重要部分，對其結構設計以及數(shù)據(jù)的監(jiān)測有著直接的影響，并且會對壓力容器應用過程中的各項數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響。

4 結語

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