關于壓力容器設計中的熱處理問題

摘 要：在壓力容器設計的過程中，往往涉及到許多復雜而必要的處理技術，其中熱處理技術是一項技術比較細膩和傳統的重要環節。熱處理技術對于改善壓力容器的金屬材料以及完善其金屬本質性能具有重要的作用。在設計壓力容器時總共包括四項熱處理方面，本文主要針對這四項熱處理技術的相關問題進行探討。

關鍵詞：壓力容器；設計；熱處理

壓力容器在人們的工業生產中具有非常廣泛的用途，主要用于盛裝氣體或者液體，并能夠承受一定的壓力，廣泛應用于能源工業、科學研究事業、軍隊工程以及石油化工工程等多種行業，是安全和達標生產時的重要設備。

壓力容器設計中進行的熱處理技術是運用相應的介質，將壓力容器所使用的金屬材料或者合金材料進行加熱、保溫和冷卻過程，進而在不改變金屬材料的外部形狀的情況下，使其內部的纖維組織及其部分化學成分發生改變，以調控金屬材料的基本性能并使其得到最大的潛力發揮的技術。

在工業生產所使用的壓力容器主要涉及到四項熱處理問題，即金屬焊接后的消除應力的熱處理、改善金屬或合金材料基本性能的熱處理、恢復金屬材料或合金材料的性能的熱處理以及焊接后的消除氫的熱處理。下面筆者主要針對壓力容器設計中的焊接后的熱處理問題進行探討分析。

1 簡介熱處理的基本工藝技術

熱處理技術基本上主要是加熱、保溫和冷卻三個基本過程的有機配合和銜接的技術，其中（1）熱處理的加熱技術是重要的設計程序之一?，F今的加熱方法有很多種，比如，以液體或者氣體燃料作為熱源或者以電加熱等進行直接加熱。也可以利用液態鹽或金屬，以至浮動粒子進行間接加熱。（2）熱處理的溫度值是一個重要的技術參數標準之一。制定和控制適當的溫度值范圍是提高熱處理質量的重要問題，但是由于在壓力容器的設計中因使用不同的金屬或者合金材料，必須在適當的時間設計適當的溫度值，才能保證金屬材料的基本性能得到最大的潛力發揮，才能獲得較高的容器質量。（3）金屬材料加熱后必然需要冷卻的過程。工業生產上要求因壓力容器的材質不同和技術標準的不同，必須采用不同的冷卻速度。人們在不斷地探索實踐中，主要設定三種冷卻速度和一種冷卻方式，即冷卻速度最慢的退火、冷卻速度比較快的正火、冷卻速度最快的淬火以及與淬火十分密切的回火。

2 壓力容器設計中的焊接后的熱處理問題

2.1 以奧氏體不銹鋼為金屬材料制造壓力容器的熱處理問題。金屬焊接后進行的熱處理技術原理：高溫下，金屬或者合金材料的變形指數降低，高應力處就會產生流型變化，以消除焊接后產生的殘余應力，完善焊接后的韌度，最終提高金屬的抗腐蝕性。比較適應這種原理的金屬材料的結構是體心立方晶體結構，相反地，奧氏體不銹鋼的金屬材料的晶體結構是面心立方體結構。兩種結構的不同點主要表現在面心立方體的滑移面比較多，從而體現其較好的韌性。此外，設計壓力容器必須遵循的目的是防腐和溫度，而奧氏體不銹鋼的金屬材料符合此目的以及其市場價格比較昂貴，材料的壁厚度相對較薄，所以對于以奧氏體不銹鋼為金屬材料的壓力容器沒有必要進行熱處理技術的處理。這是因為以奧氏體不銹鋼為材料的壓力容器的塑性和韌性比較好，其殘余應力的性能比較小，當冷卻后金屬材料硬化的后果比較低。然而理論上的消除應力熱處理技術的溫度范圍為：600℃-620℃，保溫時間為兩個小時；在400℃-850℃的溫度范圍內，對奧氏體不銹鋼進行緩慢冷卻后會發生材料結構間的腐蝕，形成奧氏體不銹鋼的過敏化。所以當要求比較高的抗腐蝕性或者高溫要求時，設計壓力容器時需要制定適應的熱處理方法，以保證壓力容器的性能。

2.2 以液態氨為介質的壓力容器的熱處理問題。經驗得出，不是所有的以液態氨為介質的壓力容器都要進行熱處理技術，這是由應力腐蝕的情況決定。當壓力容器接觸的液態氨具有腐蝕性應該符合的條件是：（1）以液態的氨為介質，環境內含水量應該小于或者等于0.2%，此外，環境可能受到了空氣成分--氧氣或者二氧化碳的污染；（2）環境溫度范圍應該在零下5℃以上。特別是，當壓力容器的固定管板式換熱器的殼程介質是液態氨時，熱處理時應該采取分步法進行處理，也就是說首先使換熱器的外殼進行熱處理，然后把外殼和管板進行焊接，最后進行局部熱處理。

2.3 復合板式壓力容器的焊接后熱處理問題。復合板式壓力容器的焊接后熱處理問題必須要重視考慮和處理。一般而言，構成復合板的基層材料要進行焊接后熱處理時，那么，以該材料制成的壓力容器也必須進行焊接后的熱處理技術，并且必須考慮到熱處理對復合板式的材料的化學性和物理性的不利影響。因為這種熱處理技術在很大程度上能夠使復合材料以及焊接處發生碳化，從而使材料的性能變弱，甚至消失。基于以上，設計師在設計復合板式的壓力容器的熱處理時，要考慮到熱處理對復合板式的材料的化學性和物理性的不利影響，以免影響復合材料的耐腐蝕性。基本上復合板式的壓力容器所使用的材料應該符合以下要求：（1）碳質鋼的厚度要大于或等于圓筒內直徑的3%；（2）其他的合金鋼材的厚度要大于或等于圓筒內直徑的2.5%。

2.4 設計壓力容器時進行熱處理技術需要注意的內容：（1）設計壓力容器時焊接元件的步驟要放在熱處理技術的前面；（2）制造壓力容器的過程中，完成全部的焊接任務而且技術檢驗符合常規后，進行熱處理技術，再進行耐壓性實驗；（3）焊接后的管板式容器要進行消除應力熱處理技術，但是以不銹鋼為材料的設計方案不包括此范圍內；（4）碳質鋼材、低含量的合金鋼制品的焊接程序的管箱側面開口超過圓筒內直徑的三分之一，然后在焊接后進行消除應力的熱處理技術，再進行密封面的處理步驟；（5）但是考慮不同品種的焊接點，應該根據熱處理的具體要求，判斷是否進行焊接后的熱處理；（6）進行焊接后的熱處理技術時絕不能采用燃煤爐。

3 結束語

壓力容器的用途比較廣泛，具有能夠發生化學反應或者物理反應、能夠傳導熱能、能夠進行分離和存儲以及具有耐壓性能等功能，在能源工業、科學研究事業、軍隊工程以及石油化工工程等多種行業具有舉足輕重的地位。壓力容器的使用環境比較惡劣，設計過程比較復雜，如果壓力容器一旦被損壞，造成的影響也十分嚴重。所以，要選取合適的材料和方法進行熱處理技術，以保證壓力容器的質量，確保這種大型的壓力容器的安全性和可靠性。

參考文獻

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