压力容器设计制造中的热处理问题分析

刘亚楠

(中盐工程技术研究院有限公司，天津 300450)

在压力容器生产制造过程中，热处理能有效改善材料性能，同时可有效减少压力容器在焊接过程中产生的残余应力，提高压力容器各类焊缝处的性能。随着化工等行业的发展，压力容器的应用场景越来越多，结构日益复杂，并且在工业中的应用地位越来越高。为了保障设备使用安全，延长其使用寿命，降低行业发展的成本消耗，在压力容器设计时要关注热处理问题。

1 热处理技术以及压力容器热处理的重要性

当今石化行业已成为我国经济发展的支柱产业，石化行业中有许多高温高压反应的生产工艺，压力容器在其中得到了广泛应用。压力容器作为承载受压器件，内部工艺介质多为高压、高温和具有腐蚀性的气体或液体。运行必须可靠和安全，压力容器一旦失效损毁，其破坏力和泄露的介质将产生可怕的后果。压力容器的可靠性与制造用的钢材有着重要的关系。在进行压力容器设计选材时，不仅要考虑其强度、韧性、塑性和耐腐蚀性，也要考虑加工焊接性能等。正确选材和采用合理热处理方式，能保证压力容器安全运行。

热处理是通过在固态范围内对金属进行加热、保温和冷却的方法，改变金属内部组织结构，改善金属性能的工艺。多数金属材料在加热、保温和冷却时内部组织结构会发生变化，从而引起性能的变化。金属材料要做到有良好的使用性能，仅靠单纯调整其化学成分也无法到达要求，为满足加工和使用上的要求，热处理成为必要工序。

压力容器的使用环境比较复杂和危险，所以要高度保障其运行的安全性和稳定性，否则容易产生工业事故，造成财产损失和人身危害。因此，压力容器设计过程中，性能以及材料都要进行严格检验。压力容器热处理的质量效果，直接影响着压力容器本身的质量效果和工作效率，因此，设计人员要掌握一定的专业知识和技能，选取合理的热处理方式，保障压力容器的使用性能。

2 压力容器设计制造中的热处理问题

根据目的以及加热温度和冷却方式不同，热处理主要分为三大类：整体热处理(如退火、正火、淬火和调质等)；表面热处理(如表面淬火和回火、化学气相沉淀和等离子化学气相沉淀等)；化学热处理(如渗碳、碳氮共渗和熔渗等)。压力容器大多数是钢板卷焊结构，许多热处理过程是结合热成型(如筒体热卷、封头热冲压等)工艺进行的。但应用到压力容器热处理的种类较少，常用热处理方式有退火、正火及淬火等，奥氏体不锈钢则有固溶化处理和稳定化处理。

2.1 不锈钢及其热处理

不锈钢作为压力容器设计制造常用材料，具有耐腐蚀的优点。目前，将含Cr量大于10.5%且具有不锈性和耐酸性能的一系列铁基合金定义为不锈钢。不锈钢的分类方法很多，目前常用的是按照钢的组织状态分类，即马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体—铁素体双相不锈钢、沉淀硬化不锈钢五类，压力容器设计制造中常用到下面三种不锈钢。

2.1.1 铁素体不锈钢

铁素体不锈钢的成分特点是高铬低碳，组织为单相铁素体。铁素体不锈钢在退火或正火状态下使用，强度较低、塑性很好。主要应用于对耐蚀性要求高而强度不高的工况，例如化工设备、容器和管道等。铁素体不锈钢在加热冷却过程中不发生相变，因而不能进行热处理强化，可通过加入Ti、Nb等强碳化物形成元素或经冷塑性变形及再结晶来细化晶粒。这类钢广泛应用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。

2.1.2 奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢的成分特点是低碳高铬镍，C含量大多在0.10%以下，组织为单相奥氏体。奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性、冷热加工性及焊接性，高的韧性和塑性。典型钢号如Cr18Ni9型(即18-8型不锈钢)，钢中常加入Ti或Nb以防止晶间腐蚀。其强度、硬度很低，塑性、韧性和耐蚀性均较马氏体型不锈钢更好。奥氏体不锈钢较适宜作冷成型，其焊接性能也较好。与马氏体型不锈钢比较，其机械加工(如切削)性能较差，当碳化物在晶界析出时，还会产生晶间腐蚀现象，应力腐蚀倾向也较大。

奥氏体不锈钢常用的热处理为固溶处理，即加热到920 ℃～1 150 ℃使碳化物溶解后水冷，获得单相奥氏体组织。对于含Ti或Nb的钢，在固溶处理后还要进行稳定化处理，即加热到850 ℃～880 ℃，使钢中Cr的碳化物完全溶解，而Ti或Nh的碳化物不完全溶解，然后缓慢冷却，使TiC充分析出，以防止发生晶间腐蚀。

2.1.3 铁素体—奥氏体双相不锈钢

铁素体—奥氏体双相不锈钢是指金相组织由铁素体和奥氏体两相组成的不锈钢，其固溶组织中铁素体和奥氏体各占一半，一般较少相的含量至少在30%以上。

这类钢提高了Cr含量或加入其它铁素体形成元素，其晶间腐蚀和应力腐蚀破坏倾向较小，强度、韧性和焊接性能较好。铁素体—奥氏体双相不锈钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特性，与铁素体不锈钢相比，它的韧性高、脆性转变温度低、耐晶间腐蚀和焊接性能显著提高，但仍能保留470 ℃脆性、σ相脆性等。与奥氏体不锈钢相比，其强度水平高，其屈服强度是奥氏体不锈钢的2倍，此外耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀破裂、耐腐蚀疲劳性能显著提高。因为具有以上特点，铁素体—奥氏体双相不锈钢的应用场景更加广泛。压力容器常用不锈钢热处理参数见表1[1]。

表1 常用不锈钢热处理参数Tab.1 Common heat treatment parameters of stainless steel

续表1 (Continue)

2.2 压力容器焊后热处理

压力容器在经过焊接后，为消除残余应力，需要进行焊后热处理。其方式可分为整理热处理、局部热处理和分段热处理。如条件允许，优先采用炉内整体加热的方式；当条件不具备时，可采用分段热处理，但应控制重复加热长度不小于1.5 m，且相邻部分应进行保温，从而避免产生温度梯度影响材料的组织性能。B、C、D、E类焊接接头允许采用局部热处理，在做局部热处理时，为避免产生有害变形，可扩大加热范围，同时也要注意控制温度梯度。常用钢材推荐的焊后热处理见表2[2]。

表2 常用钢材推荐的焊后热处理Tab.2 Recommended post weld heat treatment for common steel

3 结束语

压力容器作为工业生产的常用设备，压力容器的安全性和稳定性对行业生产效率有着直接影响，不管是任何形式的危险，都可能对工业生产造成严重的破坏。为了进行更加稳定高效地生产发展，压力容器的热处理必须落实到位，相关人员仔细区分金属材料性质，选择最佳处理方案，实现压力容器应用的最大效果，有效保障压力容器在各种工作环境下使用的安全性。