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    壓力容器熱處理方案的確定
        摘要:伴隨我國經濟的快速發展,壓力容器在各行業得到越來越廣泛的運用。作為特種設備之一的壓力容器,其安全性與人民的生命財產安全密切相關,國家制定了相應的法規和標準,并實行設計、制造許可證制度及委托相關行業部門進行監督監察來控制其產品質量。在壓力容器的設計過程中,熱處理是設計文件技術要求中必須提及的內容。而熱處理技術范圍廣,內涵深,對于初涉壓力容器設計工作的人員,難以把握和運用;而熱處理技術對壓力容器制造是一個非常重要的環節,正確運用和實施熱處理對完善其性能具有重要的作用。本文主要針對壓力容器如何制定正確的熱處理方法進行探討。
      關鍵詞:壓力容器;設計;熱處理;探討
      中圖分類號:TL351+.6 文獻標識號:A 文章編號:2306-1499(2013)03-(頁碼)-頁數
      1.引言
      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,是一種重要的特種設備。
      壓力容器熱處理是運用相應的熱源和材料,對壓力容器所使用的金屬材料進行加熱、保溫和冷卻的過程。在不改變金屬材料的外部形狀的情況下,使其內部的金相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潛力地發揮。
      按GB150.4-2011第8條所述壓力容器主要涉及到四項熱處理問題,即①成形受壓元件恢復性能熱處理;②焊后消應力熱處理;③改善材料力學性能熱處理;④其他熱處理,包括消氫處理、不銹鋼的固容熱處理和穩定化熱處理、恢復供貨熱處理狀態的熱處理;以下分幾個方面進行闡述。
      2.原材料的熱處理狀態
      原材料的熱處理狀態也是與熱處理技術相關的內容,其涉及壓力容器材料選用的合理性;GB150.2-2011明確規定了各種材料的使用狀態(即熱處理狀態),可以依據幾個方面來確定:種類(鋼板、鍛件、鋼管等);材質(鋼號、標準號);使用場合(多層包扎容器內筒、殼體或其他受壓元件如法蘭、管板、平蓋);厚度及使用溫度下限;
      壓力容器設計文件中應明確規定材料的使用狀態,該條是GB150.4-2011第8.4條所述的恢復材料供貨熱處理狀態的熱處理的重要依據。
      3.成形受壓元件恢復性能熱處理
      壓力容器受壓元件在冷成形(或溫成形)加工,變形、減薄較大時會在工件內部殘留殘余應力,并產生一定的冷作硬化;GB150.4-2011第8.1條對該類情況作出明確規定,該條相對于GB150-1998有明顯改進,其理念更接近ASME第VIII卷第I分冊的相應規定,引入變形率概念,同時考慮介質、應力腐蝕、減薄量等方面;看似復雜,其實更具科學性且并不難以計算確定。
      但此處存在2個未明確的問題:①熱成形是免除本項熱處理的條件之一,而熱成形的控制溫度未明確;②該項熱處理的熱處理溫度如何控制;
      一般認為,熱成形的溫度控制可參考正火溫度,即850~930℃,工件在最終成形時溫度應保證在850℃以上才能認為是熱成形;該條件對封頭成形較易實現,而筒體熱卷成形則較難實現(除非采用特殊方案),所以建議厚壁筒體采用冷成形(或溫成形)后進行熱處理的方式進行成形加工。
      該項熱處理以消除殘余應力為主要目的,其熱處理方式可參照焊后消應力熱處理(即620℃±20℃)的方案進行。變形量大的工件(如縱縫形式的波形膨脹節,需進行多次卷壓成形)可進行正火加回火的熱處理工藝,以減輕冷作硬化傾向。
      4.焊后消應力熱處理
      該熱處理方式的主要目的是消除焊接和裝配結構因素(如換熱器帶隔板的管箱)引起的殘余應力。是否進行該項熱處理取決于焊接接頭厚度、介質的毒性程度(高度或極度危害)以及應力腐蝕的情況。GB150.4-2011第8.2條進行了詳細的闡述,現對部分條款進行探討:
      對GB150.4-2011中第8.2.1條c)所述“組合焊縫焊接接頭厚度取對接焊縫和角焊縫厚度中的較大者”的理解;非焊接專業的壓力容器設計人員,較難理解該條款含義,ASME第VIII卷第I分冊中對組合焊縫由明確定義,而GB150.4-2011中未有相關說明。以D類焊接接頭為例進行說明:接管與筒體相焊,與筒體等厚部分即為對接焊縫,高出筒體表面與接管相連的則為角焊縫;采用全焊透結構時對接焊縫高度即為筒體厚度,角焊縫厚度即為其焊腳高度(筒體內外側均由焊腳時取二者之和)。然后再按GB150.4-2011中表5來確定是否需進行焊后消應力熱處理。
      關于GB150.4-2011中第8.2.2條“圖樣注明有應力腐蝕的容器”需進行焊后熱處理。如何界定有應力腐蝕是此條的關鍵,應力腐蝕需具備①應力;②有應力腐蝕敏感性的金屬材料;③腐蝕介質;三者缺一不可?僧a生應力腐蝕破壞的金屬材料與環境的組合主要有幾種:(1)碳鋼和低合金鋼:介質為堿液、硝酸鹽溶液、無水液氨、濕硫化氫、醋酸等;(2)奧氏體不銹鋼:氯離子、氯化物+蒸汽、濕硫化氫、堿液等;(3)含鉬奧氏體不銹鋼:堿液、氯化物水溶液、硫酸+硫酸銅的水溶液等;(4)黃銅:氨氣及溶液、氯化鐵、濕二氧化硫等;(5)鈦:含鹽酸的甲醇或乙醇、熔融氯化鈉等;(6)鋁:濕硫化氫、海水等
      現以濕硫化氫和液氨為例闡述其具備應力腐蝕的條件。
      濕硫化氫對碳鋼和低合金鋼產生應力腐蝕的條件:①氣相介質中存在水份(液相水或低于露點的水);②氣相介質中另有氰化物(HCN)存在;③在硫化氫體積含量≤0.08%時,其分壓≥0.00035MPa(絕壓)時會產生應力腐蝕;在硫化氫體積含量>0.08%時,其系統壓力≥0.45MPa(絕壓)時才會產生應力腐蝕;
      在HG20581中提出了液氨的應力腐蝕環境條件:①介質為液態氨,含水量不高(≤0.2%)且有可能受到空氣(氧氣,二氧化碳)的污染的場合;②使用溫度高于零下5度。   由以上二段可以看出,不是有應力腐蝕介質的場合就需進行焊后消應力熱處理;依據具體工作狀況分析,確定其是否屬于“有應力腐蝕的容器”,是必要的前提。
      5.改善材料力學性能熱處理
      通過熱處理改善材料力學性能,無非以下幾種常見的方法:
      退火:指將金屬加熱到一定溫度(臨界點附近),保持一段時間,然后緩慢冷卻。主要作用:①降低硬度,便于切削加工;②消除殘余應力,穩定尺寸;減少變形和裂紋傾向;③細化晶粒,消除組織缺陷。如碳鋼或低合金鋼制換熱器管箱側面開口超過圓筒內直徑的三分之一,或存在中間隔板時,需進行熱處理后再進行密封面二次切削加工。
      正火:是將工件加熱至Ac3(Ac是指加熱時自由鐵素體全部轉變為奧氏體的終了溫度,一般是從727℃到912℃之間)或Acm(Acm是實際加熱中過共析鋼完全奧氏體化的臨界溫度線 )以上30~50℃,保溫一段時間后,從爐中取出在空冷。其目的是在于使晶粒細化和碳化物分布均勻化。正火比退火的冷卻速度稍快,因而正火組織要比退火組織更細一些,其機械性能也有所提高。
      正火加回火:對于形狀復雜的重要鍛件,在正火后還需進行高溫回火(55-65℃)高溫回火的目的在于消除正火冷卻是產生的應力,提高韌性和塑性。
      調質:淬火后高溫(500~650℃)回火,以獲得回火索氏體的熱處理工藝。調質的主要目的是得到強度、塑性都比較好的綜合機械性能。主要用于低合金鋼。
      6.其他熱處理
      GB150.4-2011中第8.4條“其他熱處理”主要是指恢復供貨熱處理狀態的熱處理,但還需擴充一些壓力容器熱處理的常見方式。
      恢復供貨熱處理狀態的熱處理:指在制造過程中改變了材料的供貨熱處理狀態,必須進行恢復。如封頭、筒體采用熱壓成形后,就需進行該類熱處理。
      消氫處理:消氫處理的溫度一般為300~350℃,保溫2~6h后冷卻。消氫處理的主要目的是使焊縫金屬中的擴散氫迅速逸出,降低焊縫及熱影響區的含氫量,防止產生冷裂紋。一般情況下,凡采用標準抗拉強度下限值σb>540MPa和Cr-Mo低合金鋼及有延遲裂紋傾向的鋼制焊接容器和受壓元件,如焊后24時內不能進行熱處理的,須考慮進行消氫處理。如果焊后隨即進行熱處理,可免作消氫處理。
      不銹鋼的固容處理:常見的奧氏體不銹鋼在500~800℃敏化區間(特別是600~700℃)停留較長時間,會在晶界析出碳化鉻(Cr23C6),從而形成晶間貧鉻區,產生晶間腐蝕,嚴重影響防腐性能;所以當奧氏體不銹鋼采用熱成形后,需進行固容處理來回復其防腐性能。固溶處理是指將不銹鋼加熱到950~1150℃左右,保溫一段時間,使碳化物和各種合金元素充分均勻地溶解于奧氏體中,然后快速淬水冷卻,碳及其它合金元素來不及析出,獲得純奧氏體組織,稱之為固溶處理。
      7.結束語
      壓力容器運用范圍廣泛,其具有能夠承受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。制定正確的熱處理方案,能完善壓力容器的性能,從改善材料的力學性能直至提高其防腐性能,最終體現在提高壓力容器的安全性;反之,將會產生氫脆、再熱裂紋、延遲裂紋、應力腐蝕等嚴重影響其安全性能的因素。當然,本文未進行討論的熱處理工藝問題,熱處理時機、爐內環境、溫度控制、時間控制、升降溫速度控制、熱處理試板控制等各個方面均是熱處理技術的主要組成部分,需用同樣嚴謹的態度對待。
      參考文獻
      [1] GB150.1-150.4-2011《壓力容器》
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