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压力容器热处理方案的确定
    摘要:伴随我国经济的快速发展,压力容器在各行业得到越来越广泛的运用。作为特种设备之一的压力容器,其安全性与人民的生命财产安全密切相关,国家制定了相应的法规和标准,并实行设计、制造许可证制度及委托相关行业部门进行监督监察来控制其产品质量。在压力容器的设计过程中,热处理是设计文件技术要求中必须提及的内容。而热处理技术范围广,内涵深,对于初涉压力容器设计工作的人员,难以把握和运用;而热处理技术对压力容器制造是一个非常重要的环节,正确运用和实施热处理对完善其性能具有重要的作用。本文主要针对压力容器如何制定正确的热处理方法进行探讨。
  关键词:压力容器;设计;热处理;探讨
  中图分类号:TL351+.6 文献标识号:A 文章编号:2306-1499(2013)03-(页码)-页数
  1.引言
  压力容器在人们的工业生产中具有非常广泛的用途,主要用于盛装气体或者液体,并能够承受一定的压力,是一种重要的特种设备。
  压力容器热处理是运用相应的热源和材料,对压力容器所使用的金属材料进行加热、保温和冷却的过程。在不改变金属材料的外部形状的情况下,使其内部的金相组织及其部分化学成分发生改变,以调控金属材料的基本性能并使其得到最大潜力地发挥。
  按GB150.4-2011第8条所述压力容器主要涉及到四项热处理问题,即①成形受压元件恢复性能热处理;②焊后消应力热处理;③改善材料力学性能热处理;④其他热处理,包括消氢处理、不锈钢的固容热处理和稳定化热处理、恢复供货热处理状态的热处理;以下分几个方面进行阐述。
  2.原材料的热处理状态
  原材料的热处理状态也是与热处理技术相关的内容,其涉及压力容器材料选用的合理性;GB150.2-2011明确规定了各种材料的使用状态(即热处理状态),可以依据几个方面来确定:种类(钢板、锻件、钢管等);材质(钢号、标准号);使用场合(多层包扎容器内筒、壳体或其他受压元件如法兰、管板、平盖);厚度及使用温度下限;
  压力容器设计文件中应明确规定材料的使用状态,该条是GB150.4-2011第8.4条所述的恢复材料供货热处理状态的热处理的重要依据。
  3.成形受压元件恢复性能热处理
  压力容器受压元件在冷成形(或温成形)加工,变形、减薄较大时会在工件内部残留残余应力,并产生一定的冷作硬化;GB150.4-2011第8.1条对该类情况作出明确规定,该条相对于GB150-1998有明显改进,其理念更接近ASME第VIII卷第I分册的相应规定,引入变形率概念,同时考虑介质、应力腐蚀、减薄量等方面;看似复杂,其实更具科学性且并不难以计算确定。
  但此处存在2个未明确的问题:①热成形是免除本项热处理的条件之一,而热成形的控制温度未明确;②该项热处理的热处理温度如何控制;
  一般认为,热成形的温度控制可参考正火温度,即850~930℃,工件在最终成形时温度应保证在850℃以上才能认为是热成形;该条件对封头成形较易实现,而筒体热卷成形则较难实现(除非采用特殊方案),所以建议厚壁筒体采用冷成形(或温成形)后进行热处理的方式进行成形加工。
  该项热处理以消除残余应力为主要目的,其热处理方式可参照焊后消应力热处理(即620℃±20℃)的方案进行。变形量大的工件(如纵缝形式的波形膨胀节,需进行多次卷压成形)可进行正火加回火的热处理工艺,以减轻冷作硬化倾向。
  4.焊后消应力热处理
  该热处理方式的主要目的是消除焊接和装配结构因素(如换热器带隔板的管箱)引起的残余应力。是否进行该项热处理取决于焊接接头厚度、介质的毒性程度(高度或极度危害)以及应力腐蚀的情况。GB150.4-2011第8.2条进行了详细的阐述,现对部分条款进行探讨:
  对GB150.4-2011中第8.2.1条c)所述“组合焊缝焊接接头厚度取对接焊缝和角焊缝厚度中的较大者”的理解;非焊接专业的压力容器设计人员,较难理解该条款含义,ASME第VIII卷第I分册中对组合焊缝由明确定义,而GB150.4-2011中未有相关说明。以D类焊接接头为例进行说明:接管与筒体相焊,与筒体等厚部分即为对接焊缝,高出筒体表面与接管相连的则为角焊缝;采用全焊透结构时对接焊缝高度即为筒体厚度,角焊缝厚度即为其焊脚高度(筒体内外侧均由焊脚时取二者之和)。然后再按GB150.4-2011中表5来确定是否需进行焊后消应力热处理。
  关于GB150.4-2011中第8.2.2条“图样注明有应力腐蚀的容器”需进行焊后热处理。如何界定有应力腐蚀是此条的关键,应力腐蚀需具备①应力;②有应力腐蚀敏感性的金属材料;③腐蚀介质;三者缺一不可。可产生应力腐蚀破坏的金属材料与环境的组合主要有几种:(1)碳钢和低合金钢:介质为碱液、硝酸盐溶液、无水液氨、湿硫化氢、醋酸等;(2)奥氏体不锈钢:氯离子、氯化物+蒸汽、湿硫化氢、碱液等;(3)含钼奥氏体不锈钢:碱液、氯化物水溶液、硫酸+硫酸铜的水溶液等;(4)黄铜:氨气及溶液、氯化铁、湿二氧化硫等;(5)钛:含盐酸的甲醇或乙醇、熔融氯化钠等;(6)铝:湿硫化氢、海水等
  现以湿硫化氢和液氨为例阐述其具备应力腐蚀的条件。
  湿硫化氢对碳钢和低合金钢产生应力腐蚀的条件:①气相介质中存在水份(液相水或低于露点的水);②气相介质中另有氰化物(HCN)存在;③在硫化氢体积含量≤0.08%时,其分压≥0.00035MPa(绝压)时会产生应力腐蚀;在硫化氢体积含量>0.08%时,其系统压力≥0.45MPa(绝压)时才会产生应力腐蚀;
  在HG20581中提出了液氨的应力腐蚀环境条件:①介质为液态氨,含水量不高(≤0.2%)且有可能受到空气(氧气,二氧化碳)的污染的场合;②使用温度高于零下5度。   由以上二段可以看出,不是有应力腐蚀介质的场合就需进行焊后消应力热处理;依据具体工作状况分析,确定其是否属于“有应力腐蚀的容器”,是必要的前提。
  5.改善材料力学性能热处理
  通过热处理改善材料力学性能,无非以下几种常见的方法:
  退火:指将金属加热到一定温度(临界点附近),保持一段时间,然后缓慢冷却。主要作用:①降低硬度,便于切削加工;②消除残余应力,稳定尺寸;减少变形和裂纹倾向;③细化晶粒,消除组织缺陷。如碳钢或低合金钢制换热器管箱侧面开口超过圆筒内直径的三分之一,或存在中间隔板时,需进行热处理后再进行密封面二次切削加工。
  正火:是将工件加热至Ac3(Ac是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度,一般是从727℃到912℃之间)或Acm(Acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线 )以上30~50℃,保温一段时间后,从炉中取出在空冷。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。正火比退火的冷却速度稍快,因而正火组织要比退火组织更细一些,其机械性能也有所提高。
  正火加回火:对于形状复杂的重要锻件,在正火后还需进行高温回火(55-65℃)高温回火的目的在于消除正火冷却是产生的应力,提高韧性和塑性。
  调质:淬火后高温(500~650℃)回火,以获得回火索氏体的热处理工艺。调质的主要目的是得到强度、塑性都比较好的综合机械性能。主要用于低合金钢。
  6.其他热处理
  GB150.4-2011中第8.4条“其他热处理”主要是指恢复供货热处理状态的热处理,但还需扩充一些压力容器热处理的常见方式。
  恢复供货热处理状态的热处理:指在制造过程中改变了材料的供货热处理状态,必须进行恢复。如封头、筒体采用热压成形后,就需进行该类热处理。
  消氢处理:消氢处理的温度一般为300~350℃,保温2~6h后冷却。消氢处理的主要目的是使焊缝金属中的扩散氢迅速逸出,降低焊缝及热影响区的含氢量,防止产生冷裂纹。一般情况下,凡采用标准抗拉强度下限值σb>540MPa和Cr-Mo低合金钢及有延迟裂纹倾向的钢制焊接容器和受压元件,如焊后24时内不能进行热处理的,须考虑进行消氢处理。如果焊后随即进行热处理,可免作消氢处理。
  不锈钢的固容处理:常见的奥氏体不锈钢在500~800℃敏化区间(特别是600~700℃)停留较长时间,会在晶界析出碳化铬(Cr23C6),从而形成晶间贫铬区,产生晶间腐蚀,严重影响防腐性能;所以当奥氏体不锈钢采用热成形后,需进行固容处理来回复其防腐性能。固溶处理是指将不锈钢加热到950~1150℃左右,保温一段时间,使碳化物和各种合金元素充分均匀地溶解于奥氏体中,然后快速淬水冷却,碳及其它合金元素来不及析出,获得纯奥氏体组织,称之为固溶处理。
  7.结束语
  压力容器运用范围广泛,其具有能够承受化学反应或者物理反应、能够传导热能、能够进行分离和存储等功能,在能源工业、科学研究事业、军队工程以及石油化工工程等多种行业具有举足轻重的地位。制定正确的热处理方案,能完善压力容器的性能,从改善材料的力学性能直至提高其防腐性能,最终体现在提高压力容器的安全性;反之,将会产生氢脆、再热裂纹、延迟裂纹、应力腐蚀等严重影响其安全性能的因素。当然,本文未进行讨论的热处理工艺问题,热处理时机、炉内环境、温度控制、时间控制、升降温速度控制、热处理试板控制等各个方面均是热处理技术的主要组成部分,需用同样严谨的态度对待。
  参考文献
  [1] GB150.1-150.4-2011《压力容器》
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