楊維維

摘要：低溫壓力容器是化工工程中的重要設(shè)備，其中的低溫應(yīng)力脆性破壞事故屢見不鮮，采用焊后熱處理是有效的防治辦法。文章通過綜述文獻(xiàn)說明低溫壓力容器整體熱處理的方法、工藝因素，并通過工程實(shí)例進(jìn)行應(yīng)用講解。

關(guān)鍵詞：低溫壓力容器；焊后熱處理；方法探究

0引言

GB150—2011中對(duì)熱處理進(jìn)行了規(guī)定，明確了各種不同材質(zhì)需要熱處理的厚度，當(dāng)碳素鋼、Q345R（不進(jìn)行焊前預(yù)熱）的焊接接頭厚度超過32 mm時(shí)，均需要采用焊后熱處理，且在其他的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)條件下，也需要通過熱處理予以改善，文章詳細(xì)討論了其方法、工藝和實(shí)際應(yīng)用。

1低溫壓力容器焊后熱處理

GB 150—2011中規(guī)定，低溫壓力容器是指設(shè)計(jì)溫度為-20℃以下的碳素鋼、低合金鋼、雙相不銹鋼和鐵素體不銹鋼制容器，以及設(shè)計(jì)溫度為-196℃以下的奧氏體不銹鋼容器。常見的液化乙烯、液氮和液氫等在儲(chǔ)存運(yùn)輸中均無法離開低溫壓力容器，而由于低溫應(yīng)力脆性的存在，使得安全事故頻發(fā)，其儲(chǔ)存的介質(zhì)常常為易燃、易爆材料，且設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)局部過分集中就容易產(chǎn)生裂紋，因此采用熱處理消除應(yīng)力是尤為必要的。

1.1整體熱處理方法

其整體熱處理的方法包括：（1）于固定爐中進(jìn)行整體熱處理，這種方法加熱溫度穩(wěn)定均勻，沒有較大的溫差，易于掌控，且保溫情況良好，適用于容器大小小于熱處理爐的低溫壓力容器；（2）于固定爐中進(jìn)行分段熱處理，此方法用于長(zhǎng)度較大的容器，可將其分為兩段，于其中一段先加熱處理，再調(diào)換方向，其中應(yīng)有1.5 m以上的部分經(jīng)歷了重復(fù)加熱，但耗損較大，且難以掌控溫度；（3）于固定爐外熱處理，主要針對(duì)一些大型設(shè)備，此法溫度、溫速、溫差均難以掌控；3種方法的加熱方法類似，多采用燃料加熱和電加熱。

1.2整體熱處理工藝

了解其工藝就需要了解其決定因素、加熱溫度、速度、時(shí)間等，下面將進(jìn)行詳細(xì)說明。

1.2.1加熱溫度

現(xiàn)階段使用的調(diào)質(zhì)低溫用碳素鋼具有最低的回火溫度，多數(shù)在600℃左右，因此如果焊后熱處理（Post Weld Heat Treatment，PWHT）出現(xiàn)高溫，鋼材強(qiáng)度勢(shì)必受影響，對(duì)此工藝中要求溫度上限較回火溫度更低，按照詳細(xì)的規(guī)定條件進(jìn)行加工。

1.2.2保溫時(shí)間

其上下限需要考慮到多項(xiàng)因素，保溫時(shí)間上限需考慮不影響母材和焊接區(qū)使用，盡量減少制造時(shí)間；保溫時(shí)間下限需考慮到應(yīng)力松弛程度、淬硬區(qū)是否軟化、氫等氣體是否殘留、組織是否穩(wěn)定；工藝要求中說明當(dāng)加熱溫度低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則需要增加保溫時(shí)間，但也需要說明，增加時(shí)間具有一定的限度，過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬結(jié)晶過于粗大，碳化物聚層，使得其各項(xiàng)性能受到影響，包括機(jī)械性能、蠕變強(qiáng)度和缺口韌性。

1.2.3保溫溫度

其上下限也需要考慮到多項(xiàng)因素，保溫溫度上限需考慮相變點(diǎn)、回火溫度以及鋼材使用性能；保溫溫度下限需考慮的因素與保溫時(shí)間下限決定因素一致；工藝要求中規(guī)定保溫溫度550℃，如果在實(shí)際操作中，保溫溫度過低，則會(huì)嚴(yán)重影響殘余應(yīng)力降低程度，即使增加保溫時(shí)間也于事無補(bǔ)。

1.2.4加熱速度

加熱速度上限需考慮厚壁件溫度均勻性、形狀尺寸變化導(dǎo)致的溫度不均勻現(xiàn)象和變形裂紋可能；加熱速度下限需考慮爐溫控制以及控制制造時(shí)間；工藝上說明其上限與板厚呈反比關(guān)系，但不能小于50℃/h。

1.2.5冷卻速度

其上限需考慮的決定因素與加熱速度上限因素相同，其冷卻速度下限需考慮爐溫、母材和焊接區(qū)性能、再熱裂紋的產(chǎn)生等；若冷卻速度超過限定值，則會(huì)出現(xiàn)變形裂紋，還會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，特別是對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變化大的部件，需要尤為注意冷卻速度，若厚度很大則可采用200×25/t（℃/h）的冷卻速度，其中t的含義為板厚。

1.2.6入爐出爐溫度

其決定因素也需要考慮到變形裂紋、溫度均勻性等，工藝中規(guī)定入爐出爐溫度在400℃以下，具體溫度需要根據(jù)結(jié)構(gòu)件形狀尺寸特點(diǎn)進(jìn)行選擇，避免殘余應(yīng)力的再生，有時(shí)甚至需要設(shè)置100℃以下的出爐溫度去應(yīng)對(duì)一些特殊場(chǎng)合。

2低溫壓力容器焊后熱處理工程應(yīng)用

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的低溫壓力容器越來越多，以H2S吸收段進(jìn)料氨冷器的殼程筒體為例，分析說明熱處理效果。筒體材料為09MnNiDR，規(guī)格為φ1600×16×6 399 mm，設(shè)備類別為II類，主體結(jié)構(gòu)為單層，設(shè)計(jì)溫度為-45℃，要求對(duì)殼程筒體作焊后消除應(yīng)力熱處理。

2.1確定熱處理工藝參數(shù)

入爐溫度：≤400℃，升溫速度55～220℃/h，保溫溫度：（570±10）℃，保溫時(shí)間2～2.5 h，降溫速度：55～280℃/h，出爐溫度：≤400℃，冷卻方式：空氣中冷卻，熱處理后硬度HV（10）≤245（單個(gè)值）。

2.2熱處理結(jié)果

依據(jù)上面所設(shè)定的工藝參數(shù)對(duì)殼體進(jìn)行熱處理，根據(jù)實(shí)際熱處理曲線讀出以下數(shù)據(jù)：加熱速度為68℃/h，保溫溫度570℃，保溫時(shí)間為2.5h，冷卻速度為94℃/h：熱處理后通過硬度計(jì)（型號(hào)TH110）測(cè)得硬度值如表1所示。

所測(cè)硬度值滿足設(shè)計(jì)要求。

3結(jié)語

前文中提到低溫壓力容器焊后熱處理具有一定的作用和意義，了解其處理方法和工藝，依照嚴(yán)格的工藝辦法進(jìn)行，就會(huì)達(dá)到良好的焊后整體熱處理效果，當(dāng)然其標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程中也還存在一些細(xì)節(jié)問題亟待完善，且監(jiān)督其推廣應(yīng)用也是非常重要的。在實(shí)際工程中，熱處理工作開始前，就需要針對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能，對(duì)熱處理的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，處理結(jié)束后還需要對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行復(fù)檢，確定其符合要求，真正滿足焊后熱處理的效果。