压力容器设计中的热处理问题分析

2022-09-10

一、简述热处理技术原理

金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度, 并在此温度中保持一定的时间, 又以不同速度冷却的一种工艺。它是机械制造中重要工艺之一, 与其他加工工艺相比, 热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分, 而是通过改过工件内部的显微组织或改变工件表面的化学成分, 赋予或改善工件的使用性能。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能, 除合理选用材料和各种成型工艺外, 热处理工艺往往是必不可少的。

金属热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程。这个过程相互衔接, 不可间断。加热是热处理的重要工序之一, 方法很多。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一。选择和控制加热温度是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被热处理的金属材料和热处理的目的不同而异, 一般都是加热到相变温度以上, 以获得高温组织。另外转变需要一定的时间, 因此, 当金属工件表面达到要求的加热温度时, 需在此温度保持一定时间, 使内外温度一致, 使显微组织转变完全, 这段时间称为保温时间。冷却是热处理工艺过程中不可缺少的步骤, 冷却方法因工艺不同而不同, 主要控制冷却速度。一般退火冷却速度最慢, 正火的冷却速度较快, 淬火的冷却速度更快。但还因钢种的不同而有不同的要求。

二、压力容器焊后热处理的必要性和目的

压力容器设计依据是给定的工艺尺寸和工作条件, 考虑制造和安装检修的要求, 对压力容器各个元件正确的选择材料全面地进行载荷分析、应力分析。选择合理的结构型式, 并确定既安全可靠又经济合理的强度尺寸。它通常在苛刻的操作条件下, 长期连续工作的, 一台压力容器的失效甚至一个零件的破坏, 往往导致整套装置的停工, 以致给国家财产和人员安全造成严重损失, 因而, 保证压力容器的长期安全运行对石油化学等过程工业生产具有非常重要的意义。压力容器的安全性首先决定于材料的选择, 而金属材料的性能不仅与其化学成分、金相组织有关, 而且与热处理状态紧密相关, 热处理是改善金属材料及其制品性能的重要工序。GB150明确规定了各种压力容器钢板在其使用中的热处理状态。如:热轧状态、正火状态、回火状态、正火+高温回火状态、调质状态、固溶状态和稳定化状态。压力容器热处理效果的优劣, 将直接影响产品的质量。

三、热处理的种类和作用

热处理的种类很多, 分类方法亦各不相同。压力容器行业习惯依据其目的的不同, 将常用的热处理方法分为四大类, 即焊后热处理、恢复力学性能热处理、改善力学性能热处理及消氢热处理。

在压力容器行业中, 通常所说的焊后热处理是指为改善焊接接头的组织和性能, 消除焊接残余应力等影响, 将焊接接头及其邻近局部在金属相变点以下均匀加热到足够高的温度, 并保持一定的时间, 然后缓慢冷却的过程, 称为“消除应力退火”或“消除应力热处理”。在压力容器技术文件和标准中的焊后热处理, 主要指“消除应力热处理。”消除应力热处理可以松弛焊接残余应力, 软化淬硬区, 改变组织形态, 减少含氢量, 尤其是提高某些钢种的冲击韧性, 改善力学性能。

四、需进行焊后热处理的条件

在压力容器设计中, 应科学设定设备是否需要进行焊后热处理。因容器的焊后热处理需要大型热处理装备, 消耗大量能源, 应综合考虑容器的安全性与经济性。目前, 人们虽然已认识到过大的焊接应力会对容器的安全产生危害, 但由于多种因素交互影响的复杂性, 尚难判断将焊接应力限制在什么水平下是适宜的。因此, 国内外标准只能通过材质、厚度、预热温度以及运行条件等因素, 来判定压力容器是否需要进行焊后热处理。GB150等将判断条件分为两类, 一类是对所有钢制压力容器都适用的“通用条件”, 另一类是针对某些特定工况的“特殊条件”。

需进行焊后热处理的“通用条件”:焊接应力的大小一般与如下三个方面因素有关: (1) 材质:随着钢材强度级别的提高及合金含量的增加, 其焊接性能变差, 在相同的焊接工艺条件下易产生焊接缺陷; (2) 钢材厚度:钢材厚度越大, 则意味着焊缝越深, 焊缝冷却后收缩的倾向越强, 且刚性增大, 抵抗局部收缩变形的能力越强, 从而产生了较大的焊接残余应力; (3) 预热温度:焊前预热可减缓焊缝部位与其他部位的温度梯度, 能减缓高峰值焊接应力的产生。基于以上三点, GB150等标准依据各种材质、厚度以及预热温度设定压力容器需进行焊后热处理的条件。

需要焊后热处理的“特殊条件”:GB150规定了如下两种特殊条件下, 不论压力容器的材质、厚度及预热温度如何, 都应进行焊后热处理。一是图样注明有应力腐蚀的容器。二是图样注明承装毒性为极度或高度危害介质的容器。这主要从万一发生事故的灾难性后果考虑。因为焊接残余应力对容器的主要危害是在特定的介质工况下引起应力腐蚀开裂。应力腐蚀是个影响因素颇多、极其复杂的过程, 不能用简单的条款划定。以盛装液化石油气的容器为例:液化石油气中含有H2S杂质会对钢材会产生应力腐蚀, 而纯净的液化石油气 (如丙烷、丁烷) 是不会产生应力腐蚀。H2S对钢材的应力腐蚀除与其浓度有关外, 还和其含水量有关, 只有湿H2S才能产生应力腐蚀, 湿H2S的应力腐蚀还和温度、介质的ph值、钢材的含碳量、以及焊接应力大小等诸多因素相关联。再以盛装液氨的容器为例:化学纯 (≥99.995%) 的液氨是不会引起应力腐蚀的, 只有工业纯的液氨才可能产生应力腐蚀, 但如果在液氨中加入微量的水 (≥0.2%) , 则水作为缓蚀剂, 可避免应力腐蚀的发生。此外, 液氨的应力腐蚀还和材质的强度级别有关。综上所述, 应力腐蚀状况复杂, 影响因素多, 这就需要设计者依据工况条件、压力容器的具体情况以及国内外的运行经验进行综合判断。

五、奥氏体不锈钢制压力容器的焊后热处理

奥氏体高合金钢经焊后热处理虽可以减小残余应力, 降低应力腐蚀开裂敏感性, 但焊后热处理不当时又会加剧晶间腐蚀和σ相析出造成脆化。, 焊后热处理是否对奥氏体高合金钢的安全使用性能产生影响尚不清楚, 各国标准、规定原则上不做焊后热处理。GB150等标准规定:除图样另有规定, 奥氏体不锈钢的焊接接头可不进行热处理。然而由于抗应力腐蚀要求, 或复合钢板基层需要一定要进行焊后热处理时, 应特别注意防止奥氏体不锈钢母材和焊缝中铬的碳化物 (Cr23C6) 的析出和形成σ相, 其有效预防方法就是对于抗腐蚀性能要求较高的设备进行固溶处理。这就要求我们压力容器设计者要具体问题具体分析, 谨慎选择奥氏体高合金钢焊后热处理, 及热处理的具体注意事项。

六.焊后热处理的方法

压力容器及其零件的焊后热处理方法, 主要有炉内整体热处理、分段炉内热处理、局部热处理及现场热处理四大类。压力容器设计时, 在可能条件下优先选用炉内整体热处理。

炉内整体热处理是将工件整体放入炉内加热的方法, 由于工件在炉内受热均匀, 温度及升、降温度速度易于控制, 效果较好。

分段炉内热处理是因工件过大, 受加热炉尺寸限制, 只能采取分段的办法进行热处理。分段炉内热处理有两大技术关键, 一是确定工件重复加热长度—GB150要求容器需要加热的长度不小于1500mm。二是采取合适的工件裸露在炉外部分的保温措施, 以免容器炉内、外温度梯度过大。

局部热处理的技术关键在于热处理装置要有足够的功率和准确的温度控制、足够的加热宽度以及适当的保温措施。

现场热处理亦称整体炉外焊后热处理。压力容器由于制造或运输的原因需要使用现场组焊, 如高塔和球罐等。整体炉外焊后热处理, 是将压力容器的壳体作为高温加热炉的炉体, 在容器壳体内部加热, 壳体外部用保温材料保温。目前该种方法在我国已日臻成熟, 但受天气影响, 雨雪、大风都给热处理效果造成不良影响。

结束语

综上所述, 压力容器技术是一门综合性的科学技术, 压力容器是为工艺过程服务的, 他的安全运行涉及国家财产和人民生命安全。所以对压力容器的设计提出了越来越高的要求, 热处理技术是压力容器设中的一个重要环节, 所以在设计过程中一定引起高度重视。

摘要：压力容器不仅是石油化学工业生产中的重要生产工具而且还遍及各行业。随着我国经济的快速发展已经取得了巨大的进步, 但是在他的发展的过程中也存在很多问题和缺陷, 尤其热处理问题。在压力容器的设计中, 是否需要热处理及热处理种类、方法的选择、热处理的具体要求等是压力容器是否能安全运行的一个重要因素。压力容器的安全性又是石油化工容器及设备设计的最基本要求。压力容器的热处理技术已经在压力容器的设计的领域取得了广泛的应用。随着压力容器的大型化、高压化、介质组成的多样化、复杂化, 它对金属材料的性能要求越来越高, 对设计中的热处理技术提出了更高的要求。笔者对多年来的工作经验进行了总结, 在阐述热处理技术基本原理及其必要性的基础上, 对其中常见的几个问题进行了具体分析。

关键词：压力容器,设计,热处理,问题分析