熱處理在壓力容器設計中的應用探討

皮曉峰

（安徽理工大學，安徽 淮南 232001）

1 判斷熱處理的必要性

通常壓力容器被用來存放腐蝕性、易燃易爆、或有毒性的溶液或氣體，因此在許多工業生產領域，尤其是化工生產中的常見設備。由于內部存放壓力較大的有害性物質，因此其安全性一直受到了廣泛的關注。壓力容器的設計需要考慮多種技術方面的問題，如選材、結構設計、受力分析、強化措施、檢驗維護等。而熱處理技術在壓力容器的設計領域占有重要的地位，因為在高壓和腐蝕性液體、氣體環境中，壓力容器的金屬和焊縫要求較高而應用熱處理技術可以有效的提高金屬材料或焊接部位的抗壓性能，將金屬或焊縫中的不穩定因素通過高溫改變，使金屬材料的性能得到最大的優化，從而保證壓力容器的安全系數。

但是，并不是所有的壓力容器制造都需要經過熱處理工序，一方面，熱處理工序會提高加工成本和延長工時，對節約能耗，控制生產成本不利，另一方面，一般情況下，熱處理有利于降低焊接殘余應力，改善焊接接頭的組織與性能，熱處理對熔敷金屬和焊接熱影響區的韌性提高不利，有時還可能發生晶間開裂，同時將不可避免的使得結構失去剛性，因此，在進行熱處理工序之前，必須仔細判斷焊件在高溫下的支承能力。

2 壓力容器熱處理中出現的問題以及熱處理的目的

2.1 焊接中存在一定的缺陷

根據物理學原理，焊接的接頭是一個組織的和力學性能的不均勻體，當溫度下降，實現冷卻之后，焊接組織將會變成一個過熱組織，這個組織呈現出晶粒粗大、化學成份不均勻的現象，出現強度上升但是塑生降低的情況。在熔合線的外側區域不僅晶粒粗大，還經常出現一種名叫魏氏組織和索氏體的物質，使得這個區域的韌性顯著降低。

根據熱處理的原理，熱影響和區熔池的結晶方向和換熱方向呈現出相反的狀態，也就是說，熱影響區到熔合線再到焊縫是為結晶方向，熔合線處是首先完成結晶的，但是熔池中心卻是結晶最慢的地方。這就造成了熔池的雜質不斷的由熔合線向熔池的中心移動，使得熔池的中心部分最容易產生夾渣的缺陷，但是又由于熔合線處是冷卻速度最快的，這種不均衡的融和速度使得裂紋的產生更加普遍。，不僅使得產品質量下降，甚至威脅人民的財產生命安全。

2.2 焊后進行熱處理的目的

焊接由于存在著一定的問題，這就使得壓力容器的熱處理變得極為重要。焊接之后進行熱處理的目的，主要包含以下幾個方面。首先，焊接后的熱處理可以實現松弛焊接的參與應力的水平，使得焊接能夠更好的完成。其次，在焊接之后進行熱處理可以使得壓力容器能夠更好的實現結構的穩定，使得結構的形狀和尺寸得以固定與完善，從而降低畸變的可能性。再次，壓力容器進行熱處理，可以更好的改善母體材料與焊接區之間的性能，這些性能包括提高焊縫金屬的一種塑性，還可以實現熱影響區硬度的降低，使得斷裂的韌性可以得到提高，還能夠使得金屬的疲勞強度得到一定程度的改善，使得恢復和提高冷成型的屈服強度實現降低。最后，壓力容器的熱處理還可以提高容器的抗應能力和抵抗腐蝕的能力；壓力容器的熱處理可以更好的實現焊縫金屬中有害氣體的釋放，達到防止或者延遲裂紋產生的目的。

3 壓力容器設計中不同材質類型的熱處理問題探究

根據化工生產的需求的不同，壓力容器的材質類型也不一樣。針對不同類型的材質，壓力容器熱處理過程中所需要注意的問題也有所不同，下面就幾種不同材質類型的壓力容器的熱處理問題進行簡要的探究。

3.1 奧氏不銹鋼制造的壓力容器熱處理問題探究

奧氏不銹鋼具有優良的熱塑性使其易于鍛造、軋制、熱穿孔和擠壓等熱加工，另外奧氏不銹鋼含有Mo、Cu等元素，具有優良的耐酸性和耐腐蝕性，因此奧氏不銹鋼被廣泛地應用于壓力容器的加工制造，且一般不作消除應力的熱處理。通常熱處理的溫度為600～620℃，然后保溫2小時，最后緩慢進行冷卻，奧氏不銹鋼的金屬結構就會發生改變，也就是所說的過敏化。因此奧氏不銹鋼按照常規的熱處理是行不通的，必須根據壓力容器使用的具體環境來確定熱處理的方案，滿足生產的需求。

3.2 金屬復合板式壓力容器在焊接后的熱處理問題探究

因此金屬復合板常常用于防腐和壓力容器的制造之中。當對金屬復合板式壓力容器進行熱處理的時候，高溫會影響復合板的熱力學性能，特別是不銹鋼復合板，焊后進行熱處理，就容易對焊頭造成一定的影響，可能會損壞復合板的耐腐性性能和力學性能。因此必須充分考慮到熱處理對材料的影響，在一定的時候必須選取符合要求的復合材料。另一方面，必須靈活對待焊后熱處理的問題，對加熱溫度和保溫時間的調整，通過不斷的實驗，摸索出理想的熱處理條件。

3.3 以液態氨為介質的壓力容器的熱處理問題

以液態氨為介質的壓力容器有著其自身的特殊性，不是所有的液態氨為介質的壓力容器都需要進行熱處理，這要根據應力腐蝕的情況而定，可根據《鋼制壓力容器》的判斷標準而定。（1）以液態氨為介質時，環境含水量應該小于或等于0.2%，且可能受到空氣污染的場合。（2）使用溫度高于-5℃。凡是符合上述兩條的任何一條的，都需要進行壓力容器的熱處理。在固定管板式換熱器中，當殼層介質為液氨的時候，應采用分布多次熱處理的方法，先對換熱器殼體整體進行一次部件的熱處理，然后在對殼體和管板焊接完以后得兩道焊縫進行局部的熱處理。

［1］岳偉.熱處理技術在壓力容器設計中的應用探析[J].河南科技,2013(09).

［2］樊慧勤,孟雅微.關于壓力容器設計中的熱處理問題[J].科技創新與應用,2013(01).

［3］王非.對鋼制壓力容器熱處理的思考[J].化工設備與管道,2009(06).

［4］陳泰煒.壓力容器焊后熱處理技術[M].北京：中國石化出版社,2002.