液化石油气钢瓶去应力热处理方案

李伟平

（广东省肇庆市特种设备行业协会)

液化石油气钢瓶去应力热处理方案

李伟平*

（广东省肇庆市特种设备行业协会)

分析了液化石油气钢瓶材料特有的力学性能及其加工工艺特性。对液化石油气钢瓶的去应力退火方案进行了详细分析，为液化石油气钢瓶制造企业提供了一个去应力热处理范例。

液化石油气钢瓶热处理去应力退火压力容器加热冷却

液化石油气钢瓶是人民生活中最常接触的一种特种设备。在所有的气瓶事故中，以液化石油气钢瓶的事故最为常见。在日常使用过程中，液化石油气钢瓶常会由于使用不当、瓶阀泄漏、钢瓶质量等原因引起火灾、爆炸事故，给人们生命财产造成危害。为了从源头把好气瓶的质量关，国家质检总局2003年颁发的《气瓶安全监察规定》[1]明文规定：气瓶及附件正式投产前，应当按照安全技术规范及相关标准的要求进行型式试验；改变设计文件、主要制造工艺或者停产时间超过6个月重新生产时，应当进行型式试验。

液化石油气钢瓶的热处理方式与其安全性能具有相当密切的关系。在设计文件鉴定和型式试验过程中发现，有相当一部分厂家对这部分的描述和实际操作不重视，敷衍了事，更有甚者，根本不知道去应力热处理应当怎么进行。因此，有必要对其进行解释说明。

1 液化石油气钢瓶去应力热处理的意义

1.1 液化石油气钢瓶制造工艺简述

YSP 35.5液化石油气钢瓶一般选用HP295[2]板材为主体材料，采用冲压拉伸后分别制成上、下椭圆形封头，下封头缩口与上封头对接焊后，采用退火或正火的方式消除加工残余应力，最终制造成形。其主要工艺流程如图1所示。

在气瓶冲压拉伸加工过程中，会出现不同程度的残余应力。残余应力产生的原因是复杂的，既有组织结构不均匀的内在原因，又有加工作用的外在因素。残余应力的存在一方面会影响气瓶瓶体材料的屈服强度，另一方面又会在制造过程中或制造后使气瓶的加工精度发生变化。残余拉应力还会影响气瓶的疲劳强度、屈服极限、应力腐蚀等力学性能。在气瓶的使用过程中所发生的破坏事故，除了气瓶的材料和结构强度原因之外，多数是由于残余应力影响而造成的。因此，残余应力的消除对于确保气瓶的加工精度、安全性、可靠性有着十分重要的意义。

图1YSP 35.5液化石油气钢瓶工艺流程

1.2 液化石油气钢瓶热处理工艺简述

目前我国液化石油气钢瓶制造中去应力热处理大多数采用退火处理，极少数厂家采用正火热处理。采用正火热处理的钢瓶主要出口澳洲和南非。

液化石油气钢瓶所使用的材料HP295系焊接气瓶专用钢板，其化学成分如表1所示。

表1 用于液化石油气钢瓶的HP295化学成分（%）

由表1可知，HP295含碳量＜0.25%，属于低碳钢。此外，HP295含碳量＜0.77%，应属于亚共析钢。

理论上说[3]，正火和退火都可以达到消除应力的目的，但是从更利于改善加工性能的角度出发，中碳钢可以采用退火或正火的方法消除应力，而低碳钢宜采用正火的方法消除应力。碳钢正火后所得到的组织为索氏体+铁素体，而退火后组织为珠光体+铁素体。索氏体组织较珠光体晶粒更为细化，因此正火后材料的强度和硬度均比退火后更高。

由于HP295的正火温度为Ac3+(30～50)℃，即900℃左右，而去应力退火温度为Ac1-(100～200)℃，一般为550～650℃，因此气瓶制造厂家从能耗成本角度考虑，通常倾向于采用退火作为消除应力的热处理方式。

然而，气瓶制造厂对设计人员的资质没有要求，因此许多人只在设计文件中笼统地写去应力退火，而实际生产中缺少具体的热处理工艺指导书，根本达不到消除应力的目的。有的气瓶制造厂对于型式试验送检产品尚能聘请有经验的技术人员予以指导，而实际生产中则是偷工减料、敷衍了事。

2 去应力退火温度分析

去应力退火最重要的是温度，残余应力因塑性变形或蠕变变形而产生松弛就依赖于温度，因此温度的选取极为重要。适宜的去应力退火温度与材料成分有关，一般根据GB/T 16923—2008中钢件的正火与退火工艺规范选择退火温度。去应力退火温度一般采用550～650℃，但根据每个制造企业的设备不同，可进行微调。根据笔者经验，液化石油气钢瓶去应力退火温度范围在550～700℃之间。一般认为，去应力退火消除应力与蠕变和应力松弛现象有密切的关系，材料的屈服应力是随着加热温度的增加而下降的，图2[2]为屈服应力与温度的关系。因此在加热时，该温度下的残余应力一旦超过此时的屈服应力，就会发生塑性变形，残余应力将会因这种塑性变形而有所缓和。

图2 屈服应力与温度的关系

去应力温度是影响去应力效果的重要因素，一般是依靠高温条件下材料强度的降低来实现消除应力的目的。温度越高，残余应力消除越彻底。对强度、硬度要求较高的工件，在550～700℃进行去应力退火时，在应力消除的同时强度与硬度也降低了。为保证工件的机械性能，同时最大限度地消除残余应力，可以选择低于去应力退火工艺规范的温度退火，这时残余应力低于该温度下的屈服应力。

3 保温时间

保温时间是去应力退火工艺的另一个重要参数。较短的保温时间不能使残余应力得到松弛和释放，不能达到消除残余应力的效果和目的；较长的保温时间不仅设备的利用率降低，同时也是对能源的浪费，增加了加工成本。图3所示为退火温度和保温时间与消除应力的曲线关系[4]。可以发现:在不同的保温温度下，温度越高，残余应力消除得越彻底;在相同的保温时间下，温度越高，残余应力消除得越快；在一定的保温温度下，由于加热工件使屈服应力降低而发生塑性变形，残余应力开始快速下降，2 h后残余应力下降速率明显放缓，这时残余应力比该温度下屈服应力低。然而，目前制造企业很难做到保温3～5 h。

图3 退火温度和保温时间与消除应力的曲线关系

4 加热和冷却速度

理论上为避免工件受热应力的影响，加热速度与冷却速度是越低越好，而实际生产中这是不现实、不经济的。对于液化石油气钢瓶这种截面差别不大的工件，以加热速度≤200℃/h为宜。

冷却时，先要随炉缓冷，这时工件材料的屈服应力降低，如图2所示。如果冷却速度过快，工件表面与内部存在太大的温差，所产生的热应力可能超过材料的屈服应力，从而会引起工件变形;即使热应力没有达到引起工件变形的程度，附加热应力也可能使去应力前功尽弃。对于液化石油气钢瓶，应先随炉冷却至400℃，然后再出炉空冷。

5 结语

（1）去应力退火尽量选用较高的温度，温度越高，应力消除得越彻底。根据不同制造企业的热处理炉情况，建议在550～700℃范围内进行热处理。

（2）去应力退火保温时间一般为3～5 h，这样有利于降低生产成本，提高生产效率。但在实际生产无法实现的情况下，可通过调整链轮速度来达到延缓保温时间的效果。

（3）对于液化石油气钢瓶，以加热速度≤200℃/h为宜。之后，随炉冷却至400℃，再出炉空冷。

[1]国家质检总局.气瓶安全监察规定：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局令第46号[S].2003.

[2]刘永刚，李显，李少华．焊后去应力退火的机理及应用［J］．金属加工，2009，14:60-61．

[3]于永泗，齐民.机械工程材料[M].5版.大连：大连理工大学出版社，2003：78-79.

[4]陈泰炜．压力容器焊后热处理技术［M］.北京：中国石化出版社，2002：56．

淄博齐翔化工45万t/a低碳烷烃脱氢装置冷箱成功开车

2016年12月由杭氧股份公司石化工程公司设计的淄博齐翔化工45万t/a低碳烷烃脱氢项目冷箱分离系统一次开车成功，在102%负荷下，各项产品及工艺指标均超过设计要求。该项目是国内规模最大的UOP Oleflex工艺混合烷烃脱氢装置冷箱分离系统，其成功运行得到了业主和UOP的高度肯定和认可，这是杭氧在烷烃脱氢领域的又一突破。

该冷箱分离系统新鲜进料采用丙烷和异丁烷的混合物。由于液态异丁烷比重大，难蒸发，为充分利用新鲜进料的气化潜热达到深冷分离的目的，杭氧股份公司石化工程公司经过分析与研究，在板翅式换热器两相流返流通道换热翅片选择时突破常规，大胆采用了此前从未在该类工况应用的翅片类型，获得了良好的换热效果，兼顾了系统的阻力降，板翅式换热器的尺寸及生产成本大大降低。另外，新鲜进料中异丁烷质量占比设计为56%，实际运行时最高可达62.5%。业主可根据两种产品的市场情况自主调整装置的生产，从而实现利益的最大化。（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)

*李伟平，男，1961年生，工程师。肇庆市，526060。