低溫壓力容器焊后熱處理的方法探究

蔡和僑

（深圳巨濤機械設備有限公司，廣東 深圳 518068）

低溫壓力容器主要分為設計工作溫度為-196℃以下的奧氏體不銹鋼容器和設計工作溫度為-20℃以下的碳素鋼、鐵素體不銹鋼、雙相不銹鋼制容器。低溫壓力容器的制造工程中，焊接是壓力容器制造的關鍵環節，但是焊接時會產生結構不同、大小不一的焊接應力。焊后整體熱處理工藝可以有效地降低殘余應力，是防止低溫壓力容器的低溫應力脆性破壞的常用處理措施之一[1]。低溫壓力容器的焊后熱處理不僅是國標中焊接接頭厚度大于16mm的碳鋼、低合金的部分進行處理。還要對存儲危險化學品的低溫壓力容器，工作時溫度低于-20℃的復雜結構設備或大型設備，設部局部過于集中可能產生裂紋的設備等進行焊后整體熱處理。

1 低溫壓力容器焊后熱處理

焊后熱處理的主要目的是降低應力，所以也稱降低應力熱處理又稱降低應力退火，低溫壓力容器常采用整體熱處理來提高質量。主要有三種整體熱處理的方法，第一：在固定爐中進行整體熱處理，由于爐體體積的限制，這種方法只能用于容器體積比熱處理爐小的低溫壓力容器，這種方法進行熱處理時一次完工，可以很好地控制熱處理的各種條件，主要優點是加熱溫度穩定均勻且溫差小，同時保溫效果良好并且可操控性強，降低應力程度可以溫度高低和保溫時間來調節[2]；第二：在固定爐中進行分段熱處理，此方法用于長度過長的容器，操作時先對一端進行加熱處理，再調轉方向處理另外一端，需要注意的是中間重復加熱段長度要大于1.5m，由于是分為兩步加熱，這種方法的主要缺點是難以控制兩次操作的溫度相近同時能耗相對于一般處理過程較大，由于各個部分在爐中的位置不同，加熱時溫度上升速度也不一樣，相對來說熱處理過程的可控制性較差；第三：在固定爐外熱處理，此方法主要是對一些大型設備進行熱處理，由于設備的體積太大無法進廠，只能在現場進行熱處理，此方法的缺點是加熱溫度、溫差以及溫度的升降速度不好控制。焊后熱處理過程能耗很高，這三種熱處理方式常采用燃料加熱和電加熱的加熱方法。

2 低溫壓力容器整體熱處理工藝

焊后熱處理過程的影響因素有很多，包括各種溫度，溫度升降速度，加熱保溫時間等。了解這些因素對焊后熱處理的影響可以更好的提升熱處理質量，下面將就這些因素的影響進行分析。

2.1 加熱溫度

容器鋼材強度除了受到自身材質的影響外還與焊后熱處理的溫度有關，如果焊后熱處理過程的溫度過高，將會影響到鋼材強度，所以加熱溫度一般低于最低回火溫度。現在低溫壓力容器常用的調質低溫用碳素鋼的最低回火溫度多數為600℃，因此焊后熱處理的溫度必須低于600℃，并根據設計溫度和實際施工條件來確定加熱溫度[3]。

2.2 保溫溫度

在熱處理時一般規定保溫溫度為550℃,保溫溫度影響著熱處理后的殘余應力。保溫溫度必須低于相變溫度和鋼材的回火溫度且不能降低母材和焊接區的使用性能。同時保溫溫度還與鋼材的應力松弛，淬硬區的軟化以及焊接氣體的排除有關。保溫過程是整個熱處理過程中最為重要的環節，對于整個熱處理后的效果至關重要。根據經驗所知，如果保溫溫度過低,就算增長保溫時間,達到預期效果的可能性很低。國外有研究表明,保溫溫度低于某一溫度時就不能得到焊后熱處理應有的效果[4]。

2.3 保溫時間

保溫時間所需要考慮的因素應力松弛程度、淬硬區是否軟化、焊接氣體的殘留、組織是否穩定等方面。同時選擇保溫時間時還必須保證不會降低母材和焊接區的使用性能且盡可能合理的縮短制造時間。在熱處理過程中當所遇到加熱溫度低于正規加熱溫度時,按照現行的規定,一般都采用大幅度地延長保溫時間的措施，來彌補溫度的不足所帶來的影響。然而保溫時間過長,焊縫的位置在高溫的作用下會發生很多其他的化學反應，常常會引起焊縫金屬結晶粗大,碳化物聚集或脫碳層厚度增加等問題,進而使得容器的機械性能、蠕變強度及缺口韌性下降，影響了容器的質量。

2.4 加熱速度

加熱速度的選擇必須確保加熱時厚壁件的溫度均勻上升、還要考慮形狀尺寸變化所引起的溫度不均勻，加熱速度太快則可能發生變形或產生裂紋。加熱速度受到固定爐的限制，各個部位的所處位置不一樣，加熱時溫度上升也會存在差異，且熱處理工程的耗能很好，為了將制造時間保持在可控時間范圍內同時也是為了節能減排，加熱速度不能太低。當鋼板越厚加熱速度越低，且長時間的加熱對控制系統有著很高的要求，所以加熱速度一般不低于50℃/h。

2.5 冷卻速度

冷卻速度的影響因素包括爐溫、母材和焊接區性能、再熱裂紋的產生等。必須確保冷卻時的溫度能夠均勻地降低，從而防止由于形狀和尺寸變化所引起的溫度不均勻現象發生。如果冷卻時溫度降低過快，出現變形裂紋的幾率會增大，還有可能會再次產生殘余應力。為了縮短制造時間，一般來說冷卻速度不低于50℃/h，對于厚度很大的結構常采用200×25/t（℃/h）的冷卻速度，其中t為結構的厚度。

2.6 出入爐出爐溫度

在進行熱處理時，加熱件入爐和出爐時的溫度,一般低于400℃，主要是防止溫度過高引起的變形裂變。影響出入爐的因素主要是部件的尺寸和形狀，選擇出爐溫度時如果過高,在冷卻時有很大的可能再次產生較大的殘余應力,甚至發生裂紋或變形。對一些特殊部件,甚至會在溫度低于100℃后，才出爐。

3 結語

上文介紹了常用的低溫壓力容器的焊后熱處理方法和熱處理中的重要影響因素，嚴格的按照相關工藝標準作業，根據實際情況進行調整，就會提高焊后熱處理的效果。在實際工程中，熱處理工作是一個很長的過程，在進行熱處理之前，就要根據產品本身的結構和材料以及預期達到的效果，來調節熱處理過程中的相關參數，并嚴格按照設計參數及要求執行。

[1]李建國.壓力容器分析設計的一些問題[J].化工設備與管道，2001，（03）

[2]劉國偉.焊接后熱與焊后熱處理溫度對焊接殘余應力松弛的試驗研究[J].壓力容器，1994（3）：26.

[3]孟雅薇，葛志強.關于低溫壓力容器設計的若干問題的分析[J].科技創新與應用，2012，（32）：182-183.

[4]王玲玲.淺析低溫下壓力容器設計需注意的問題[J].河南科技，2014，（11）：132-133.