液化石油氣鋼瓶去應力熱處理方案

李偉平

（廣東省肇慶市特種設備行業協會)

液化石油氣鋼瓶去應力熱處理方案

李偉平*

（廣東省肇慶市特種設備行業協會)

分析了液化石油氣鋼瓶材料特有的力學性能及其加工工藝特性。對液化石油氣鋼瓶的去應力退火方案進行了詳細分析，為液化石油氣鋼瓶制造企業提供了一個去應力熱處理范例。

液化石油氣鋼瓶熱處理去應力退火壓力容器加熱冷卻

液化石油氣鋼瓶是人民生活中最常接觸的一種特種設備。在所有的氣瓶事故中，以液化石油氣鋼瓶的事故最為常見。在日常使用過程中，液化石油氣鋼瓶常會由于使用不當、瓶閥泄漏、鋼瓶質量等原因引起火災、爆炸事故，給人們生命財產造成危害。為了從源頭把好氣瓶的質量關，國家質檢總局2003年頒發的《氣瓶安全監察規定》[1]明文規定：氣瓶及附件正式投產前，應當按照安全技術規范及相關標準的要求進行型式試驗；改變設計文件、主要制造工藝或者停產時間超過6個月重新生產時，應當進行型式試驗。

液化石油氣鋼瓶的熱處理方式與其安全性能具有相當密切的關系。在設計文件鑒定和型式試驗過程中發現，有相當一部分廠家對這部分的描述和實際操作不重視，敷衍了事，更有甚者，根本不知道去應力熱處理應當怎么進行。因此，有必要對其進行解釋說明。

1 液化石油氣鋼瓶去應力熱處理的意義

1.1 液化石油氣鋼瓶制造工藝簡述

YSP 35.5液化石油氣鋼瓶一般選用HP295[2]板材為主體材料，采用沖壓拉伸后分別制成上、下橢圓形封頭，下封頭縮口與上封頭對接焊后，采用退火或正火的方式消除加工殘余應力，最終制造成形。其主要工藝流程如圖1所示。

在氣瓶沖壓拉伸加工過程中，會出現不同程度的殘余應力。殘余應力產生的原因是復雜的，既有組織結構不均勻的內在原因，又有加工作用的外在因素。殘余應力的存在一方面會影響氣瓶瓶體材料的屈服強度，另一方面又會在制造過程中或制造后使氣瓶的加工精度發生變化。殘余拉應力還會影響氣瓶的疲勞強度、屈服極限、應力腐蝕等力學性能。在氣瓶的使用過程中所發生的破壞事故，除了氣瓶的材料和結構強度原因之外，多數是由于殘余應力影響而造成的。因此，殘余應力的消除對于確保氣瓶的加工精度、安全性、可靠性有著十分重要的意義。

圖1YSP 35.5液化石油氣鋼瓶工藝流程

1.2 液化石油氣鋼瓶熱處理工藝簡述

目前我國液化石油氣鋼瓶制造中去應力熱處理大多數采用退火處理，極少數廠家采用正火熱處理。采用正火熱處理的鋼瓶主要出口澳洲和南非。

液化石油氣鋼瓶所使用的材料HP295系焊接氣瓶專用鋼板，其化學成分如表1所示。

表1 用于液化石油氣鋼瓶的HP295化學成分（%）

由表1可知，HP295含碳量＜0.25%，屬于低碳鋼。此外，HP295含碳量＜0.77%，應屬于亞共析鋼。

理論上說[3]，正火和退火都可以達到消除應力的目的，但是從更利于改善加工性能的角度出發，中碳鋼可以采用退火或正火的方法消除應力，而低碳鋼宜采用正火的方法消除應力。碳鋼正火后所得到的組織為索氏體+鐵素體，而退火后組織為珠光體+鐵素體。索氏體組織較珠光體晶粒更為細化，因此正火后材料的強度和硬度均比退火后更高。

由于HP295的正火溫度為Ac3+(30～50)℃，即900℃左右，而去應力退火溫度為Ac1-(100～200)℃，一般為550～650℃，因此氣瓶制造廠家從能耗成本角度考慮，通常傾向于采用退火作為消除應力的熱處理方式。

然而，氣瓶制造廠對設計人員的資質沒有要求，因此許多人只在設計文件中籠統地寫去應力退火，而實際生產中缺少具體的熱處理工藝指導書，根本達不到消除應力的目的。有的氣瓶制造廠對于型式試驗送檢產品尚能聘請有經驗的技術人員予以指導，而實際生產中則是偷工減料、敷衍了事。

2 去應力退火溫度分析

去應力退火最重要的是溫度，殘余應力因塑性變形或蠕變變形而產生松弛就依賴于溫度，因此溫度的選取極為重要。適宜的去應力退火溫度與材料成分有關，一般根據GB/T 16923—2008中鋼件的正火與退火工藝規范選擇退火溫度。去應力退火溫度一般采用550～650℃，但根據每個制造企業的設備不同，可進行微調。根據筆者經驗，液化石油氣鋼瓶去應力退火溫度范圍在550～700℃之間。一般認為，去應力退火消除應力與蠕變和應力松弛現象有密切的關系，材料的屈服應力是隨著加熱溫度的增加而下降的，圖2[2]為屈服應力與溫度的關系。因此在加熱時，該溫度下的殘余應力一旦超過此時的屈服應力，就會發生塑性變形，殘余應力將會因這種塑性變形而有所緩和。

圖2 屈服應力與溫度的關系

去應力溫度是影響去應力效果的重要因素，一般是依靠高溫條件下材料強度的降低來實現消除應力的目的。溫度越高，殘余應力消除越徹底。對強度、硬度要求較高的工件，在550～700℃進行去應力退火時，在應力消除的同時強度與硬度也降低了。為保證工件的機械性能，同時最大限度地消除殘余應力，可以選擇低于去應力退火工藝規范的溫度退火，這時殘余應力低于該溫度下的屈服應力。

3 保溫時間

保溫時間是去應力退火工藝的另一個重要參數。較短的保溫時間不能使殘余應力得到松弛和釋放，不能達到消除殘余應力的效果和目的；較長的保溫時間不僅設備的利用率降低，同時也是對能源的浪費，增加了加工成本。圖3所示為退火溫度和保溫時間與消除應力的曲線關系[4]?？梢园l現:在不同的保溫溫度下，溫度越高，殘余應力消除得越徹底;在相同的保溫時間下，溫度越高，殘余應力消除得越快；在一定的保溫溫度下，由于加熱工件使屈服應力降低而發生塑性變形，殘余應力開始快速下降，2 h后殘余應力下降速率明顯放緩，這時殘余應力比該溫度下屈服應力低。然而，目前制造企業很難做到保溫3～5 h。

圖3 退火溫度和保溫時間與消除應力的曲線關系

4 加熱和冷卻速度

理論上為避免工件受熱應力的影響，加熱速度與冷卻速度是越低越好，而實際生產中這是不現實、不經濟的。對于液化石油氣鋼瓶這種截面差別不大的工件，以加熱速度≤200℃/h為宜。

冷卻時，先要隨爐緩冷，這時工件材料的屈服應力降低，如圖2所示。如果冷卻速度過快，工件表面與內部存在太大的溫差，所產生的熱應力可能超過材料的屈服應力，從而會引起工件變形;即使熱應力沒有達到引起工件變形的程度，附加熱應力也可能使去應力前功盡棄。對于液化石油氣鋼瓶，應先隨爐冷卻至400℃，然后再出爐空冷。

5 結語

（1）去應力退火盡量選用較高的溫度，溫度越高，應力消除得越徹底。根據不同制造企業的熱處理爐情況，建議在550～700℃范圍內進行熱處理。

（2）去應力退火保溫時間一般為3～5 h，這樣有利于降低生產成本，提高生產效率。但在實際生產無法實現的情況下，可通過調整鏈輪速度來達到延緩保溫時間的效果。

（3）對于液化石油氣鋼瓶，以加熱速度≤200℃/h為宜。之后，隨爐冷卻至400℃，再出爐空冷。

[1]國家質檢總局.氣瓶安全監察規定：中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局令第46號[S].2003.

[2]劉永剛，李顯，李少華．焊后去應力退火的機理及應用［J］．金屬加工，2009，14:60-61．

[3]于永泗，齊民.機械工程材料[M].5版.大連：大連理工大學出版社，2003：78-79.

[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，2002：56．

淄博齊翔化工45萬t/a低碳烷烴脫氫裝置冷箱成功開車

2016年12月由杭氧股份公司石化工程公司設計的淄博齊翔化工45萬t/a低碳烷烴脫氫項目冷箱分離系統一次開車成功，在102%負荷下，各項產品及工藝指標均超過設計要求。該項目是國內規模最大的UOP Oleflex工藝混合烷烴脫氫裝置冷箱分離系統，其成功運行得到了業主和UOP的高度肯定和認可，這是杭氧在烷烴脫氫領域的又一突破。

該冷箱分離系統新鮮進料采用丙烷和異丁烷的混合物。由于液態異丁烷比重大，難蒸發，為充分利用新鮮進料的氣化潛熱達到深冷分離的目的，杭氧股份公司石化工程公司經過分析與研究，在板翅式換熱器兩相流返流通道換熱翅片選擇時突破常規，大膽采用了此前從未在該類工況應用的翅片類型，獲得了良好的換熱效果，兼顧了系統的阻力降，板翅式換熱器的尺寸及生產成本大大降低。另外，新鮮進料中異丁烷質量占比設計為56%，實際運行時最高可達62.5%。業主可根據兩種產品的市場情況自主調整裝置的生產，從而實現利益的最大化。（江海）

Solution for Stress-relief Heat Treatment of Liquefied Petroleum Gas Cylinder

Li Weiping

The mechanical properties and processing characteristics of LPG cylinder are analyzed.The stressrelief annealing treatment for LPG cylinder is analyzed in detail,which provides an example of eliminating stress heat treatment for LPG cylinder manufacturers.

LPG cylinder;Heat treatment;Stress-relief annealing treatment;Pressure vessel;Heating;Cooling

TG 162

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.010

2016-08-15)

*李偉平，男，1961年生，工程師。肇慶市，526060。