谈压力容器设计的热处理问题

谈压力容器设计的热处理问题 本文关键词：热处理，压力容器，设计

谈压力容器设计的热处理问题 本文简介：摘要：鉴于压力容器使用工况和环境的特殊性，对焊缝和金属的要求较高，因此，在压力容器的制造与设计过程中，有必要进行热处理改变金属或者复合材料的物理属性。通过这一过程处理，使压力容器材料的化学成分和纤维组织中的不稳定因素发生改变，从而进一步改变材料的金属性能，使其得到最大的优化，提高压力容器的安全性能。

谈压力容器设计的热处理问题 本文内容：

摘要：鉴于压力容器使用工况和环境的特殊性，对焊缝和金属的要求较高，因此，在压力容器的制造与设计过程中，有必要进行热处理改变金属或者复合材料的物理属性。通过这一过程处理，使压力容器材料的化学成分和纤维组织中的不稳定因素发生改变，从而进一步改变材料的金属性能，使其得到最大的优化，提高压力容器的安全性能。

关键词：压力容器；热处理；设计

引言

压力容器是一种特殊的设备，所能承受的压力较大，在高压下能够将气体转化成液体，从而提高存储量，因此，在工业生产，尤其是能源、军功、石油化工等行业的生产领域，应用十分广泛。压力容器一般用于装盛腐蚀性液体或者有毒气体，具有较强的危险性，故其设计是一项专业性强的工作，设计者需要对压力容器的受力分析、结构设计、材料选择、制作安装、强化设施以及设备的操作、使用、检验、维护等方面均要考虑全面、综合考量。鉴于压力容器使用工况和环境的特殊性，对焊缝和金属的要求较高，因此，在压力容器的制造与设计过程中，有必要进行热处理改变金属或者复合材料的物理属性。当前，热处理技术主要是使用一定的介质，将压力容器的金属或者复合材料加热至冷却。通过这一过程处理，使压力容器材料的化学成分和纤维组织中的不稳定因素发生改变，从而进一步改变材料的金属性能，使其得到最大的优化，提高压力容器的安全性能。

1压力容器热处理技术综述

在压力容器的设计中，热处理技术主要包括从加热到保温再到冷却的三个阶段。这三个阶段互相独立又互相配合。

1.1加热阶段

这是热处理技术的第一个步骤，也是热处理技术的关键，这一技术能否达到最终目的与加热过程有十分密切的关系。因为压力容器的材料多变复杂，必须设置精准的加热温度参数，加热的方式有多种，在热处理技术出现的早期，煤与木炭构成加热的主要方式，之后，逐渐使用气体、液体燃料或者电加热。目前，使用熔融金属的加热处理方式，液体钾与钠的加热效果比较理想。此外，为了保证热处理的效果，必须严格控制加热温度。在加热温度的选择上，一定要根据加热的目的和加热材质具体问题具体分析。通常，相比温度低于实际加热能够获取更优的高温组织。

1.2保温阶段

当金属或者复合材料的温度达到目标要求后，应该让其保持一段时间，减小材料的表面与内里的温度差，实现内外温度一致。在这个过程中，材料的化学成分和纤维组织会发生变化

，以便更适合满足压力容器材质的性能。如果加热的速度比较快，材料的内外温度差别不大，则不需要经过保温的过程，直接可以进入冷却阶段1.3冷却压力容器设计工序和工艺的多样性，造成金属或者复合材料的冷却速度问题。一般情况下，淬火冷却速度最快，既能够使钢件的马氏体组织得到有效保证，也可以增加工件的强度、耐磨性及硬度，使热处理的后续工作得以正常进行。正火冷却的速度次之，不仅可以改善材料的加工、切削性能，细化材料晶粒，清除组织的缺陷，而且可以使低碳钢的力学性能得以有效提升。冷却速度最慢的是退火冷却，伴随着金属或复合材料硬度的持续降低，材料本身的可塑性大大加强。不同速度的冷却处理能够获得不同的处理效果，以便在化工生产中根据具体情况灵活应用。

2压力容器热处理分析

不同的化工生产需要不同材质的压力容器，不同材质的容器在热处理方面也有很大差异，下面针对几种主要材质压力容器的热处理技术展开探讨。

2.1奥体不锈钢

奥体不锈钢不仅具有铜、钼等多种化学元素，耐酸性和耐腐蚀性极强，而且具有十分理想的热塑性效果，容易实现锻造、热穿孔、挤压与轧制等加热目的。因此，奥体不锈钢在压力容器的制作加工中应用相当广泛。不少设计者认为，使用奥体不锈钢作为材料的压力容器焊接时，焊缝的稳定性不够，而且考虑到焊接后遗留的残余应力，应该对压力容器进行热处理。实际上，奥体不锈钢的结构属于面心立方体，有较多的滑移面，本身就具有很好的塑形性和韧性，焊接后残余应力基本可以忽略不计。在多数应用下，这种材料并不需要进行热处理。一旦进行了热处理，可能反而会起到相反的作用，降低奥体不锈钢的性能，这是因为进行常规的热处理，温度要达到600~620℃，并在该温度下保持2h。之后，在400~850℃温度下进行速度较慢的冷却，此时，很可能造成金属材料的腐蚀，也就是奥体不锈钢的过敏。但是，如果在温度较高时，同时也比较强的腐蚀环境中使用奥体不锈钢材料制作的压力容器，那么就需要进行适合的热处理来改变奥体不锈钢的内部结构和金属性能，适用具体的应用环境和使用需求。

2.2介质是液态氨

介质是液态氨的压力容器本身也具有特殊性，要根据应力腐蚀情况的存在与否来确定是否需要进行热处理，通常，如果液态氨为压力容器的介质，那么，满足下列条件可判断为液态氨处于应力腐蚀环境，应该进行热处理。第一，含水量不应超过2‰，且有可能受到空气中氧气或者二氧化碳污染。第二，压力容器使用的温度超过或等于-5℃。同时，应该指出的是，有一种固定管板的换热器，壳层介质为液氨，其结构特殊，无法整体进行热处理。遇到这种情况，则需要多次分步进行热处理，具体的操作步骤可以首先对换热器的壳体进行部件热处理，当管板和壳体焊接作业结束后，再对两道的焊缝展开相应的热处理工序。

2.3复合板式

金属复合板式的压力容器是于金属的表面增盖一层其它金属的板子，这样做不仅能有效地节约成本，而且增加压力容器的安全系数。这类材质的压力容器焊接之后的热处理必须慎重严谨，原则上，如对压力容器的基层材料进行热处理，那么，相应地，也必须对压力容器本体进行热处理，同时，还应该对热处理会对复合材料的耐腐蚀性能和力学性能可能产生的影响进行综合考量。如果加热温度太高，势必会对复合板本身，特别是不锈钢复合板的热力学性能产生严重影响。如果热处理是在焊接以后进行，也会伤害到焊头，严重时还可能出现碳化现象。然而，如果压力容器使用的不锈钢复合板材料，则需要充分考虑热处理对材料的作用，并且选择使用与要求相一致的复合材料，建议根据现实情况应用超低碳的符合材料，并且针对不同材料进行适当热处理，控制保温的时间，以便确保复合板压力容器的热处理性能。

3热处理技术重点关注的问题

在对压力容器进行热处理时，需要严格根据程序按部就班、有条不紊地进行：首先，在压力容器的设计时，热处理要放在焊接元件之后进行。其次，制作压力容器时，热处理只有在全部的焊接工艺和各自的技术检验都达到标准之后才能进行，然后还需要进行耐压性的试验。再次，含量低的合金钢或者碳质钢材料的焊接，管箱旁面的开口幅度要大于贯通的内部直径的1/3，焊接之后再实行特处理消除应力。复次，管板式的压力容器焊接后需要进行适当的消除应力的热处理，但以奥体不锈钢等为建构材料的容器多数应用下没有必要进行热处理。最后，尽量不适用燃煤炉作为焊接后压力容器热处理的加热方式。综上所述，随着科学技术日新月异的发展，压力容器在多个行业的应用范围越来越广泛，在石油化工、科学研究以及军工行业中占据举足轻重的地位。鉴于压力容器设计过程的复杂性以及应用环境的恶劣性，一旦出现质量问题或者有破损的现象出现，其后果将会非常严重，直接威胁到人民群众的生命安全，因此，压力容器的性能与质量必须得到保障。热处理技术能够改善压力容器原材料的性能，有效消除焊后应力，在保证压力容器的质量方面发挥着重要的作用，设计工作人员必须严格根据材料性能逐渐完善、改进热处理技术及工艺，全面提升压力容器的质量。

参考文献：

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[7]杨颖.浅析压力容器设计的一般要求及技术进展[J].科技与企业，2013(10).

作者：李海英 单位：吉林石油化工设计研究院

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