西安壓力容器設(shè)計(jì)中的熱處理問題分析
發(fā)布時(shí)間：2017/11/18 14:40:35
壓力容器不僅是石油化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中的重要生產(chǎn)工具而且還遍及各行業(yè)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，但是在他的發(fā)展的過程中也存在很多問題和缺陷，尤其熱處理問題。在壓力容器的設(shè)計(jì)中，是否需要熱處理及熱處理種類、方法的選擇、熱處理的具體要求等是壓力容器是否能安全運(yùn)行的一個重要因素。壓力容器的安全性又是石油化工容器及設(shè)備設(shè)計(jì)的最基本要求。壓力容器的熱處理技術(shù)已經(jīng)在壓力容器的設(shè)計(jì)的領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。隨著壓力容器的大型化、高壓化、介質(zhì)組成的多樣化、復(fù)雜化，它對金屬材料的性能要求越來越高，對設(shè)計(jì)中的熱處理技術(shù)提出了更高的要求。筆者對多年來的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，在闡述熱處理技術(shù)基本原理及其必要性的基礎(chǔ)上，對其中常見的幾個問題進(jìn)行了具體分析。
一、簡述熱處理技術(shù)原理
金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定的時(shí)間，又以不同速度冷卻的一種工藝。它是機(jī)械制造中重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改過工件內(nèi)部的顯微組織或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成型工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。金屬熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程。這個過程相互銜接，不可間斷。加熱是熱處理的重要工序之一，方法很多。加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)之一。選擇和控制加熱溫度是保證熱處理質(zhì)量的主要問題。加熱溫度隨被熱處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織。另外轉(zhuǎn)變需要一定的時(shí)間，因此，當(dāng)金屬工件表面達(dá)到要求的加熱溫度時(shí)，需在此溫度保持一定時(shí)間，使內(nèi)外溫度一致，使顯微組織轉(zhuǎn)變完全，這段時(shí)間稱為保溫時(shí)間。冷卻是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要控制冷卻速度。一般退火冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。但還因鋼種的不同而有不同的要求。
二、壓力容器焊后熱處理的必要性和目的
壓力容器設(shè)計(jì)依據(jù)是給定的工藝尺寸和工作條件，考慮制造和安裝檢修的要求，對壓力容器各個元件正確的選擇材料全面地進(jìn)行載荷分析、應(yīng)力分析。選擇合理的結(jié)構(gòu)型式，并確定既安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理的強(qiáng)度尺寸。它通常在苛刻的操作條件下，長期連續(xù)工作的，一臺壓力容器的失效甚至一個零件的破壞，往往導(dǎo)致整套裝置的停工，以致給國家財(cái)產(chǎn)和人員安全造成嚴(yán)重?fù)p失，因而，保證壓力容器的長期安全運(yùn)行對石油化學(xué)等過程工業(yè)生產(chǎn)具有非常重要的意義。壓力容器的安全性首先決定于材料的選擇，而金屬材料的性能不僅與其化學(xué)成分、金相組織有關(guān)，而且與熱處理狀態(tài)緊密相關(guān)，熱處理是改善金屬材料及其制品性能的重要工序。GB150明確規(guī)定了各種壓力容器鋼板在其使用中的熱處理狀態(tài)。如：熱軋狀態(tài)、正火狀態(tài)、回火狀態(tài)、正火+ 高溫回火狀態(tài)、調(diào)質(zhì)狀態(tài)、固溶狀態(tài)和穩(wěn)定化狀態(tài)。壓力容器熱處理效果的優(yōu)劣，將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。
三、熱處理的種類和作用
熱處理的種類很多，分類方法亦各不相同。壓力容器行業(yè)習(xí)慣依據(jù)其目的的不同，將常用的熱處理方法分為四大類，即焊后熱處理、恢復(fù)力學(xué)性能熱處理、改善力學(xué)性能熱處理及消氫熱處理。
在壓力容器行業(yè)中，通常所說的焊后熱處理是指為改善焊接接頭的組織和性能，消除焊接殘余應(yīng)力等影響，將焊接接頭及其鄰近局部在金屬相變點(diǎn)以下均勻加熱到足夠高的溫度，并保持一定的時(shí)間，然后緩慢冷卻的過程，稱為“消除應(yīng)力退火”或“消除應(yīng)力熱處理”。在壓力容器技術(shù)文件和標(biāo)準(zhǔn)中的焊后熱處理，主要指“消除應(yīng)力熱處理。”消除應(yīng)力熱處理可以松弛焊接殘余應(yīng)力，軟化淬硬區(qū)，改變組織形態(tài)，減少含氫量，尤其是提高某些鋼種的沖擊韌性，改善力學(xué)性能。
四、需進(jìn)行焊后熱處理的條件
在壓力容器設(shè)計(jì)中，應(yīng)科學(xué)設(shè)定設(shè)備是否需要進(jìn)行焊后熱處理。因容器的焊后熱處理需要大型熱處理裝備，消耗大量能源，應(yīng)綜合考慮容器的安全性與經(jīng)濟(jì)性。目前，人們雖然已認(rèn)識到過大的焊接應(yīng)力會對容器的安全產(chǎn)生危害，但由于多種因素交互影響的復(fù)雜性，尚難判斷將焊接應(yīng)力限制在什么水平下是適宜的。
因此，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)只能通過材質(zhì)、厚度、預(yù)熱溫度以及運(yùn)行條件等因素，來判定壓力容器是否需要進(jìn)行焊后熱處理。GB150等將判斷條件分為兩類，一類是對所有鋼制壓力容器都適用的“通用條件”，另一類是針對某些特定工況的“特殊條件”。
需進(jìn)行焊后熱處理的“通用條件”：焊接應(yīng)力的大小一般與如下三個方面因素有關(guān)：（1）材質(zhì)：隨著鋼材強(qiáng)度級別的提高及合金含量的增加，其焊接性能變差，在相同的焊接工藝條件下易產(chǎn)生焊接缺陷；（2）鋼材厚度：鋼材厚度越大，則意味著焊縫越深，焊縫冷卻后收縮的傾向越強(qiáng)，且剛性增大，抵抗局部收縮變形的能力越強(qiáng)，從而產(chǎn)生了較大的焊接殘余應(yīng)力；（3）預(yù)熱溫度：焊前預(yù)熱可減緩焊縫部位與其他部位的溫度梯度，能減緩高峰值焊接應(yīng)力的產(chǎn)生。基于以上三點(diǎn)，GB150等標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)各種材質(zhì)、厚度以及預(yù)熱溫度設(shè)定壓力容器需進(jìn)行焊后熱處理的條件。
需要焊后熱處理的“特殊條件”：GB150規(guī)定了如下兩種特殊條件下，不論壓力容器的材質(zhì)、厚度及預(yù)熱溫度如何，都應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。一是圖樣注明有應(yīng)力腐蝕的容器。二是圖樣注明承裝毒性為極度或高度危害介質(zhì)的容器。這主要從萬一發(fā)生事故的災(zāi)難性后果考慮。因?yàn)楹附託堄鄳?yīng)力對容器的主要危害是在特定的介質(zhì)工況下引起應(yīng)力腐蝕開裂。應(yīng)力腐蝕是個影響因素頗多、極其復(fù)雜的過程，不能用簡單的條款劃定。以盛裝液化石油氣的容器為例：液化石油氣中含有H2S雜質(zhì)會對鋼材會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，而純凈的液化石油氣（如丙烷、丁烷）是不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。H2S對鋼材的應(yīng)力腐蝕除與其濃度有關(guān)外，還和其含水量有關(guān)，只有濕H2S才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，濕H2S的應(yīng)力腐蝕還和溫度、介質(zhì)的ph 值、鋼材的含碳量、以及焊接應(yīng)力大小等諸多因素相關(guān)聯(lián)。再以盛裝液氨的容器為例：化學(xué)純（≥99.995% ）的液氨是不會引起應(yīng)力腐蝕的，只有工業(yè)純的液氨才可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，但如果在液氨中加入微量的水（≥0.2% ），則水作為緩蝕劑，可避免應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。此外，液氨的應(yīng)力腐蝕還和材質(zhì)的強(qiáng)度級別有關(guān)。綜上所述，應(yīng)力腐蝕狀況復(fù)雜，影響因素多，這就需要設(shè)計(jì)者依據(jù)工況條件、壓力容器的具體情況以及國內(nèi)外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合判斷。
五、奧氏體不銹鋼制壓力容器的焊后熱處理
奧氏體高合金鋼經(jīng)焊后熱處理雖可以減小殘余應(yīng)力，降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，但焊后熱處理不當(dāng)時(shí)又會加劇晶間腐蝕和σ相析出造成脆化。，焊后熱處理是否對奧氏體高合金鋼的安全使用性能產(chǎn)生影響尚不清楚，各國標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定原則上不做焊后熱處理。GB150等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：除圖樣另有規(guī)定，奧氏體不銹鋼的焊接接頭可不進(jìn)行熱處理。然而由于抗應(yīng)力腐蝕要求，或復(fù)合鋼板基層需要一定要進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，應(yīng)特別注意防止奧氏體不銹鋼母材和焊縫中鉻的碳化物(Cr23C6)的析出和形成σ相，其有效預(yù)防方法就是對于抗腐蝕性能要求較高的設(shè)備進(jìn)行固溶處理。這就要求我們壓力容器設(shè)計(jì)者要具體問題具體分析，謹(jǐn)慎選擇奧氏體高合金鋼焊后熱處理，及熱處理的具體注意事項(xiàng)。
六.焊后熱處理的方法
壓力容器及其零件的焊后熱處理方法，主要有爐內(nèi)整體熱處理、分段爐內(nèi)熱處理、局部熱處理及現(xiàn)場熱處理四大類。壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，在可能條件下優(yōu)先選用爐內(nèi)整體熱處理。
爐內(nèi)整體熱處理是將工件整體放入爐內(nèi)加熱的方法，由于工件在爐內(nèi)受熱均勻，溫度及升、降溫度速度易于控制，效果較好。
分段爐內(nèi)熱處理是因工件過大，受加熱爐尺寸限制，只能采取分段的辦法進(jìn)行熱處理。分段爐內(nèi)熱處理有兩大技術(shù)關(guān)鍵，一是確定工件重復(fù)加熱長度—GB150要求容器需要加熱的長度不小于1500m m 。二是采取合適的工件裸露在爐外部分的保溫措施，以免容器爐內(nèi)、外溫度梯度過大。
局部熱處理的技術(shù)關(guān)鍵在于熱處理裝置要有足夠的功率和準(zhǔn)確的溫度控制、足夠的加熱寬度以及適當(dāng)?shù)谋卮胧?
現(xiàn)場熱處理亦稱整體爐外焊后熱處理。壓力容器由于制造或運(yùn)輸?shù)脑蛐枰褂矛F(xiàn)場組焊，如高塔和球罐等。整體爐外焊后熱處理，是將壓力容器的殼體作為高溫加熱爐的爐體，在容器殼體內(nèi)部加熱，殼體外部用保溫材料保溫。目前該種方法在我國已日臻成熟，但受天氣影響，雨雪、大風(fēng)都給熱處理效果造成不良影響。
