管道熱處理技術及質量控制

閆 然

（青島武船麥克德莫特海洋工程有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

熱處理是機械工程學的重要組成部分，是機械設備良好運行的保障[1]。熱處理的特點之一就是檢測難，對熱處理效果的評判工作需要使用特定的設備進行檢測，但受限于檢測效率和檢測位置，難以對熱處理效果達到全面的檢查和檢驗[2]；其次，熱處理的質量控制對管道整體影響較大，一旦出現熱處理缺陷故障所帶來的危害不可小視。所以從各方面來看，作為特種工藝的熱處理技術必須要進行相應的質量控制[3-4]。

1 管道熱處理質量控制

熱處理全面質量控制包括基本條件、質量管理、設備儀表控制、工程控制、技術文件數據控制等，是將控制預防與檢查相結合的主動質量保證模式是，重點轉向質量成型過程的控制，在質量成型過程中消除熱處理缺陷。雖然全面的質量管理會加大工作量，但可以隨時掌握質量動態，消除質量事故隱患，減少和避免質量問題。

1.1 原材料質量控制

原材料質量是熱處理質量控制的基礎，管道鋼材自身如存在缺陷，在熱處理過程中很可能會將問題擴大，最終影響整體熱處理質量，所以在熱處理之前必須加強對原料的質量檢驗。

1.2 人員素質控制

熱處理的所有工序都需要人工參與完成，人員素質問題直接關系到熱處理的質量情況，所以在實行相關規章制度對熱處理工作人員進行約束是十分必要的。

1.3 作業環境控制

作業環境是熱處理工作的直接生產空間，也直接關系著整體熱處理的質量與安全情況。

1.3.1 作業環境

熱處理必須要保證整體面積滿足設備安放及安全生產需求。同時，還需對各熱處理狀態分區進行操作，并對各工序的零部件設置專門的存放場地。在其他區域中設置如辦公室、成品庫房、更衣室等輔助空間，此外還需保障熱處理現場的通風情況，熱處理過程中會產生一定量的有毒有害氣體，可能會發生人員中毒事件。

1.3.2 環境溫度

熱處理工作離不開溫度的變化，無論是加熱或冷卻過程對環境的影響，還是環境對熱處理過程的影響都需要重視。如果溫度出現問題則會直接影響熱處理質量，通常情況下，熱處理操作溫度要求夏季不超過2～10 ℃，冬季要保障溫度在10 ℃以上。

1.3.3 環境采光與照明

管道熱處理工作往往較為復雜，需要進行認真細致的檢查工作，在此過程中必須要保證良好的照明與采光，整體規定光照度應該在50 Lx 以上，如果需要可以適當加裝照明裝置。

1.4 設備與儀表控制

管道熱處理工作往往是通過各種儀器設備來完成的，相關參數都是通過儀表來記錄的。因此，熱處理質量與儀表、設備質量關系緊密。

首先，熱處理爐中應該有一定數量的溫度控制儀表，為了保證熱處理爐的穩定性與安全性，需要配備2 支熱電偶，避免出現溫度失控問題。同時兩個熱電偶之間應該設有并聯報警裝置，在熱處理爐超溫時自動斷電并報警。在日常工作中對于相關溫度儀表裝置都需要進行定期的養護檢查。對于溫度裝置準確度的檢查被稱為“隨爐檢驗”，通常情況下需要做到“一周一檢”。在檢測時主要對比隨爐檢測溫度與溫度記錄儀之間的差值，通常要求I、II 類熱處理爐誤差控制在1 ℃以內，III 到VI 類熱處理爐誤差控制在3 ℃以內。如超出規定范圍，應及時找出原因并消除，也可采取溫度補償器校準。

對于熱處理爐各溫度的均勻情況主要通過“爐溫均勻性”來體現，對于相應的標準分布主要有I 到VI共6 種標準，具體情況見下表1。

表1 熱處理爐依爐溫均勻性分類及技術要求

各種熱處理爐根據設計和制造水平給予標稱工作區域尺寸（也稱有效加熱區域），保證一定的爐溫均勻性。為了抑制變異熱處理爐的溫度均勻性，在生產過程中爐體的狀態變化和定期檢查爐體溫度取決于爐體溫度的均勻性，相應的檢測周期情況見表2。對于爐溫均勻性的檢測大多在空載情況下進行，部分情況下也可在半載或滿載情況下進行，具體按照實際情況而定。檢測方法分為體積法、截面法、單點法等。

表2 推薦爐溫均勻性和溫度儀表檢測周期

壓升率也是熱處理爐的評價指標之一，是保障熱處理爐氣密性的關鍵所在。用列表的形式管理熱處理爐溫度的均一性，明確說明實際操作區域的大小和熱處理爐的場所、種類、檢查時間。在熱處理生產過程中，可根據熱處理工藝的要求，滲碳爐煤氣滲碳和氮氣可以滿足區內爐膛溫度所帶來的高效供熱。具體偏差值要求應該滿足表3 標準。

表3 滲碳爐中滲碳件有效硬化層深度偏差值 單位：mm

熱處理材料是指生產中使用的材料，熱處理材料對熱處理工件和工程提供部件的性能和質量影響較大，不達標的氬水會使熱處理葉片表面呈黑色和灰色。為了使真空空氣在光的照射下發光、冷卻、不被氧化，需要對每一瓶氬氣進行分析檢驗。

1.6 技術文件資料控制

熱處理的各項工作都必須作好相關的數據記錄并留存，這些數據資料是檢測熱處理問題不可缺少的一部分，是質量問題的追查依據。同時，加強對于各類資料的控制管理，有助于增強相關負責人員的責任心，從而提升管道熱處理質量。

2 管道熱處理技術

2.1 普通電阻爐節能和爐溫均勻性改造

為了滿足熱處理爐的質量管理和節能要求，必須進行技術革新，如復合爐襯與紅外改造等。首先對熱處理爐材料進行改造，使用陶瓷纖維氈增加整體的密閉性，在內部填涂紅外發射材料；同時可以使用四連桿結構或者凸輪結構提升爐門的密閉性；最后可以使用雙聯或三聯控制系統進行溫度控制，需要注意的是需要預留好相應的檢測孔，便于對熱處理溫度均勻性的檢測。

2.2 可控滲碳和滲氮改造

管道熱處理可控滲碳和滲氮改造是一種用于改善金屬管道表面硬度和耐磨性的表面處理方法。通過在高溫下將管道表面暴露于含有碳或氮的氣體環境中，利用碳或氮原子的擴散能力，使其滲入管道表面，并在晶體結構中形成強化相，從而提高管道的硬度和耐磨性。管道熱處理可控滲碳和滲氮改造主要通過兩個步驟進行：第一是預處理。這需要對管道進行預處理，預處理包括清潔、去除表面氧化物和其他雜質等操作，以確保管道表面干凈、平整，并具備較好的擴散條件；第二是進行滲碳、滲氮處理。滲碳處理通常采用碳物質如固體碳源或碳氣體，而滲氮處理則采用氮氣作為氮源，管道被加熱至一定溫度后，碳或氮原子會從氣體中擴散到管道表面，并在晶體結構中形成固溶體或化合物，從而增加金屬管道的硬度和耐磨性。

2.3 推廣氮基氣氛熱處理

氮基氣氛已成為熱處理控制的一個重要領域。氛圍氮氣多用途爐不僅可用于淬火保護，還可用于滲煤控制。基本氮氣保護熱處理氛圍主要是氮氣，氫氣體積分數約為6%。氮基大氣的保護由于在回火過程中爐煤氣中氫的含量低，鋼零件不會產生氫增強。與原料相比，樣品的氫含量減少了，但氫脆化的風險依然存在。只要重新烤制，就可以避免氫脆的風險。從相關研究情況來看，當加熱到1 100 ℃以上時，氮勢將變得難以控制，而且有可能產生急速下降的問題。所以對于氮基氣氛熱處理溫度需要進行一定的控制，以1 050 ℃以下為宜。

2.4 真空熱處理應用

真空熱處理因具有污染小、效果好、節能無氧化脫碳的優點被廣泛應用。

2.4.1 石墨對真空爐改進的影響

相關研究顯示，石墨在真空高壓條件下進行熱處理會出現一定程度的增碳問題，特別是不銹鋼在任何條件下與石墨進行熱處理均會出現一定的增碳現象。在實際熱處理過程中利用涂裝氧化鋁進行分隔可有效解決這一問題，填充氬氣、氫氣等都可以防止增碳問題。

2.4.2 真空油淬增碳

活性炭將油原子分解真空淬火，在淬火鋼過程中進入油中會形成一個30～40 μm 的白層。該滲碳情況隨淬火溫度而逐漸增加。為了解決這一問題，可以使用氣-油兩段冷卻法。

2.4.3 冷速測定

通過加壓氣冷能夠有效對冷卻過程進行控制，較油冷、分級淬火等方法有著較大程度的提升。

2.5 爐溫均勻性檢測技術

在爐溫均勻性檢測初期，很多熱處理爐都設相關的測溫裝置，逐漸開發出了直插式測量、爐溫追蹤儀等，促進了爐溫均勻性檢測技術的發展。

2.5.1 直插式測量方法

在過去的爐溫均勻性檢測過程中常常會出現熱電偶損壞的問題，為了解決這一問題，直插式測量方法應運而生。直插式測量方法主要是通過在各有效加熱區選取若干檢測點，然后固定法蘭和通孔螺栓，同時作好密閉工作，根據相關標準放入熱電偶，檢測結束后取出恢復即可。

2.5.2 爐溫追蹤儀

爐溫追蹤儀主要由隔熱箱與數據記錄裝置兩部分組成，也稱為熱處理爐的“黑匣子”。先根據相關測溫標準將熱電偶放到對應位置，再將其與數據記錄裝置進行連接。需要注意的是，數據記錄裝置需要放到隔熱箱之中。在測試開始后，將隔熱箱放置到熱處理爐中，等待數據處理裝置對檢測數據進行記錄，測試完成后將數據記錄器連接到電腦，自動打印或繪制每個點的溫度曲線，然后對照溫度曲線判斷整體熱處理爐溫度均勻性。

3 結語

管道在工業生產中有著舉足輕重的作用，焊后熱處理工作更是管道質量安全的重要保證。掌握了解管道熱處理技術與質量控制標準，對實際工程中管道質量和壽命情況有著重要的意義。因此，嚴把管道質量控制，對管道熱處理相關技術的提升也具有重要的現實意義。