李偉平

（廣東省肇慶市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會)

液化石油氣鋼瓶去應(yīng)力熱處理方案

李偉平*

（廣東省肇慶市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會)

分析了液化石油氣鋼瓶材料特有的力學(xué)性能及其加工工藝特性。對液化石油氣鋼瓶的去應(yīng)力退火方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，為液化石油氣鋼瓶制造企業(yè)提供了一個(gè)去應(yīng)力熱處理范例。

液化石油氣鋼瓶熱處理去應(yīng)力退火壓力容器加熱冷卻

液化石油氣鋼瓶是人民生活中最常接觸的一種特種設(shè)備。在所有的氣瓶事故中，以液化石油氣鋼瓶的事故最為常見。在日常使用過程中，液化石油氣鋼瓶常會由于使用不當(dāng)、瓶閥泄漏、鋼瓶質(zhì)量等原因引起火災(zāi)、爆炸事故，給人們生命財(cái)產(chǎn)造成危害。為了從源頭把好氣瓶的質(zhì)量關(guān)，國家質(zhì)檢總局2003年頒發(fā)的《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)定》[1]明文規(guī)定：氣瓶及附件正式投產(chǎn)前，應(yīng)當(dāng)按照安全技術(shù)規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行型式試驗(yàn)；改變設(shè)計(jì)文件、主要制造工藝或者停產(chǎn)時(shí)間超過6個(gè)月重新生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行型式試驗(yàn)。

液化石油氣鋼瓶的熱處理方式與其安全性能具有相當(dāng)密切的關(guān)系。在設(shè)計(jì)文件鑒定和型式試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)一部分廠家對這部分的描述和實(shí)際操作不重視，敷衍了事，更有甚者，根本不知道去應(yīng)力熱處理應(yīng)當(dāng)怎么進(jìn)行。因此，有必要對其進(jìn)行解釋說明。

1 液化石油氣鋼瓶去應(yīng)力熱處理的意義

1.1 液化石油氣鋼瓶制造工藝簡述

YSP 35.5液化石油氣鋼瓶一般選用HP295[2]板材為主體材料，采用沖壓拉伸后分別制成上、下橢圓形封頭，下封頭縮口與上封頭對接焊后，采用退火或正火的方式消除加工殘余應(yīng)力，最終制造成形。其主要工藝流程如圖1所示。

在氣瓶沖壓拉伸加工過程中，會出現(xiàn)不同程度的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因是復(fù)雜的，既有組織結(jié)構(gòu)不均勻的內(nèi)在原因，又有加工作用的外在因素。殘余應(yīng)力的存在一方面會影響氣瓶瓶體材料的屈服強(qiáng)度，另一方面又會在制造過程中或制造后使氣瓶的加工精度發(fā)生變化。殘余拉應(yīng)力還會影響氣瓶的疲勞強(qiáng)度、屈服極限、應(yīng)力腐蝕等力學(xué)性能。在氣瓶的使用過程中所發(fā)生的破壞事故，除了氣瓶的材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度原因之外，多數(shù)是由于殘余應(yīng)力影響而造成的。因此，殘余應(yīng)力的消除對于確保氣瓶的加工精度、安全性、可靠性有著十分重要的意義。

圖1YSP 35.5液化石油氣鋼瓶工藝流程

1.2 液化石油氣鋼瓶熱處理工藝簡述

目前我國液化石油氣鋼瓶制造中去應(yīng)力熱處理大多數(shù)采用退火處理，極少數(shù)廠家采用正火熱處理。采用正火熱處理的鋼瓶主要出口澳洲和南非。

液化石油氣鋼瓶所使用的材料HP295系焊接氣瓶專用鋼板，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 用于液化石油氣鋼瓶的HP295化學(xué)成分（%）

由表1可知，HP295含碳量＜0.25%，屬于低碳鋼。此外，HP295含碳量＜0.77%，應(yīng)屬于亞共析鋼。

理論上說[3]，正火和退火都可以達(dá)到消除應(yīng)力的目的，但是從更利于改善加工性能的角度出發(fā)，中碳鋼可以采用退火或正火的方法消除應(yīng)力，而低碳鋼宜采用正火的方法消除應(yīng)力。碳鋼正火后所得到的組織為索氏體+鐵素體，而退火后組織為珠光體+鐵素體。索氏體組織較珠光體晶粒更為細(xì)化，因此正火后材料的強(qiáng)度和硬度均比退火后更高。

由于HP295的正火溫度為Ac3+(30～50)℃，即900℃左右，而去應(yīng)力退火溫度為Ac1-(100～200)℃，一般為550～650℃，因此氣瓶制造廠家從能耗成本角度考慮，通常傾向于采用退火作為消除應(yīng)力的熱處理方式。

然而，氣瓶制造廠對設(shè)計(jì)人員的資質(zhì)沒有要求，因此許多人只在設(shè)計(jì)文件中籠統(tǒng)地寫去應(yīng)力退火，而實(shí)際生產(chǎn)中缺少具體的熱處理工藝指導(dǎo)書，根本達(dá)不到消除應(yīng)力的目的。有的氣瓶制造廠對于型式試驗(yàn)送檢產(chǎn)品尚能聘請有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員予以指導(dǎo)，而實(shí)際生產(chǎn)中則是偷工減料、敷衍了事。

2 去應(yīng)力退火溫度分析

去應(yīng)力退火最重要的是溫度，殘余應(yīng)力因塑性變形或蠕變變形而產(chǎn)生松弛就依賴于溫度，因此溫度的選取極為重要。適宜的去應(yīng)力退火溫度與材料成分有關(guān)，一般根據(jù)GB/T 16923—2008中鋼件的正火與退火工藝規(guī)范選擇退火溫度。去應(yīng)力退火溫度一般采用550～650℃，但根據(jù)每個(gè)制造企業(yè)的設(shè)備不同，可進(jìn)行微調(diào)。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，液化石油氣鋼瓶去應(yīng)力退火溫度范圍在550～700℃之間。一般認(rèn)為，去應(yīng)力退火消除應(yīng)力與蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象有密切的關(guān)系，材料的屈服應(yīng)力是隨著加熱溫度的增加而下降的，圖2[2]為屈服應(yīng)力與溫度的關(guān)系。因此在加熱時(shí)，該溫度下的殘余應(yīng)力一旦超過此時(shí)的屈服應(yīng)力，就會發(fā)生塑性變形，殘余應(yīng)力將會因這種塑性變形而有所緩和。

圖2 屈服應(yīng)力與溫度的關(guān)系

去應(yīng)力溫度是影響去應(yīng)力效果的重要因素，一般是依靠高溫條件下材料強(qiáng)度的降低來實(shí)現(xiàn)消除應(yīng)力的目的。溫度越高，殘余應(yīng)力消除越徹底。對強(qiáng)度、硬度要求較高的工件，在550～700℃進(jìn)行去應(yīng)力退火時(shí)，在應(yīng)力消除的同時(shí)強(qiáng)度與硬度也降低了。為保證工件的機(jī)械性能，同時(shí)最大限度地消除殘余應(yīng)力，可以選擇低于去應(yīng)力退火工藝規(guī)范的溫度退火，這時(shí)殘余應(yīng)力低于該溫度下的屈服應(yīng)力。

3 保溫時(shí)間

保溫時(shí)間是去應(yīng)力退火工藝的另一個(gè)重要參數(shù)。較短的保溫時(shí)間不能使殘余應(yīng)力得到松弛和釋放，不能達(dá)到消除殘余應(yīng)力的效果和目的；較長的保溫時(shí)間不僅設(shè)備的利用率降低，同時(shí)也是對能源的浪費(fèi)，增加了加工成本。圖3所示為退火溫度和保溫時(shí)間與消除應(yīng)力的曲線關(guān)系[4]?？梢园l(fā)現(xiàn):在不同的保溫溫度下，溫度越高，殘余應(yīng)力消除得越徹底;在相同的保溫時(shí)間下，溫度越高，殘余應(yīng)力消除得越快；在一定的保溫溫度下，由于加熱工件使屈服應(yīng)力降低而發(fā)生塑性變形，殘余應(yīng)力開始快速下降，2 h后殘余應(yīng)力下降速率明顯放緩，這時(shí)殘余應(yīng)力比該溫度下屈服應(yīng)力低。然而，目前制造企業(yè)很難做到保溫3～5 h。

圖3 退火溫度和保溫時(shí)間與消除應(yīng)力的曲線關(guān)系

4 加熱和冷卻速度

理論上為避免工件受熱應(yīng)力的影響，加熱速度與冷卻速度是越低越好，而實(shí)際生產(chǎn)中這是不現(xiàn)實(shí)、不經(jīng)濟(jì)的。對于液化石油氣鋼瓶這種截面差別不大的工件，以加熱速度≤200℃/h為宜。

冷卻時(shí)，先要隨爐緩冷，這時(shí)工件材料的屈服應(yīng)力降低，如圖2所示。如果冷卻速度過快，工件表面與內(nèi)部存在太大的溫差，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能超過材料的屈服應(yīng)力，從而會引起工件變形;即使熱應(yīng)力沒有達(dá)到引起工件變形的程度，附加熱應(yīng)力也可能使去應(yīng)力前功盡棄。對于液化石油氣鋼瓶，應(yīng)先隨爐冷卻至400℃，然后再出爐空冷。

5 結(jié)語

（1）去應(yīng)力退火盡量選用較高的溫度，溫度越高，應(yīng)力消除得越徹底。根據(jù)不同制造企業(yè)的熱處理爐情況，建議在550～700℃范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理。

（2）去應(yīng)力退火保溫時(shí)間一般為3～5 h，這樣有利于降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。但在實(shí)際生產(chǎn)無法實(shí)現(xiàn)的情況下，可通過調(diào)整鏈輪速度來達(dá)到延緩保溫時(shí)間的效果。

（3）對于液化石油氣鋼瓶，以加熱速度≤200℃/h為宜。之后，隨爐冷卻至400℃，再出爐空冷。

[1]國家質(zhì)檢總局.氣瓶安全監(jiān)察規(guī)定：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局令第46號[S].2003.

[2]劉永剛，李顯，李少華．焊后去應(yīng)力退火的機(jī)理及應(yīng)用［J］．金屬加工，2009，14:60-61．

[3]于永泗，齊民.機(jī)械工程材料[M].5版.大連：大連理工大學(xué)出版社，2003：78-79.

[4]陳泰煒．壓力容器焊后熱處理技術(shù)［M］.北京：中國石化出版社，2002：56．

淄博齊翔化工45萬t/a低碳烷烴脫氫裝置冷箱成功開車

2016年12月由杭氧股份公司石化工程公司設(shè)計(jì)的淄博齊翔化工45萬t/a低碳烷烴脫氫項(xiàng)目冷箱分離系統(tǒng)一次開車成功，在102%負(fù)荷下，各項(xiàng)產(chǎn)品及工藝指標(biāo)均超過設(shè)計(jì)要求。該項(xiàng)目是國內(nèi)規(guī)模最大的UOP Oleflex工藝混合烷烴脫氫裝置冷箱分離系統(tǒng)，其成功運(yùn)行得到了業(yè)主和UOP的高度肯定和認(rèn)可，這是杭氧在烷烴脫氫領(lǐng)域的又一突破。

該冷箱分離系統(tǒng)新鮮進(jìn)料采用丙烷和異丁烷的混合物。由于液態(tài)異丁烷比重大，難蒸發(fā)，為充分利用新鮮進(jìn)料的氣化潛熱達(dá)到深冷分離的目的，杭氧股份公司石化工程公司經(jīng)過分析與研究，在板翅式換熱器兩相流返流通道換熱翅片選擇時(shí)突破常規(guī)，大膽采用了此前從未在該類工況應(yīng)用的翅片類型，獲得了良好的換熱效果，兼顧了系統(tǒng)的阻力降，板翅式換熱器的尺寸及生產(chǎn)成本大大降低。另外，新鮮進(jìn)料中異丁烷質(zhì)量占比設(shè)計(jì)為56%，實(shí)際運(yùn)行時(shí)最高可達(dá)62.5%。業(yè)主可根據(jù)兩種產(chǎn)品的市場情況自主調(diào)整裝置的生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)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)

*李偉平，男，1961年生，工程師。肇慶市，526060。