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壓力容器設(shè)計中對熱處理的考慮

文章來源：壓力容器人 編輯：華道顧問

      壓力容器設(shè)計中對熱處理的考慮熱處理作為一種傳統(tǒng)并行之有效的改善和恢復(fù)金屬性能的方法在壓力容器設(shè)計、制造等環(huán)節(jié)中一直屬于相對薄弱的環(huán)節(jié)。
      壓力容器涉及四種熱處理：
      焊后熱處理（消除應(yīng)力熱處理）；改善材料性能熱處理；恢復(fù)材料性能熱處理；焊后消氫處理。這里重點(diǎn)對壓力容器設(shè)計中應(yīng)用廣泛的焊后熱處理的有關(guān)問題予以討論。
      1、奧氏體不銹鋼制壓力容器是否需要焊后熱處理焊后熱處理是利用金屬材料在高溫下屈服極限的降低，使應(yīng)力高的地方產(chǎn)生塑性流變，從而達(dá)到消除焊接殘余應(yīng)力的目的，同時可以改善焊接接頭及熱影響區(qū)的塑性和韌性，提高抗應(yīng)力腐蝕的能力。這種消除應(yīng)力的方法在具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)的碳素鋼、低合金鋼制壓力容器中被廣泛采用。
      奧氏體不銹鋼的晶體結(jié)構(gòu)是面心立方，由于面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料比體心立方具有更多的滑移面，因而表現(xiàn)出良好的韌性和應(yīng)變強(qiáng)化性能。
      另外，在壓力容器設(shè)計中，選用不銹鋼往往是為了防腐蝕和滿足溫度的特殊要求這兩個目的，加上不銹鋼與碳素鋼和低合金鋼相比價格昂貴，所以其壁厚都不會很厚。
      因此，從正常操作的安全性考慮，沒有必要對奧氏體不銹鋼制壓力容器提出焊后熱處理的要求。
      至于因使用而出現(xiàn)的腐蝕，材料不穩(wěn)定，如：疲勞，沖擊載荷等不正常操作條件而帶來的惡化情況，在常規(guī)設(shè)計中是難以考慮的。如果存在這些情況，需要由有關(guān)的科技人員（如：設(shè)計、使用、科研等有關(guān)單位）經(jīng)過深入研究，對比實(shí)驗(yàn)，拿出切實(shí)可行的熱處理方案并確保壓力容器的綜合使用性能不受影響。
      否則，如果沒有充分考慮熱處理對于奧氏體不銹鋼制壓力容器的需要與可能，簡單地類比碳素鋼與低合金鋼的情況而對奧氏體不銹鋼提出熱處理要求，往往是行不通的。
      在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，對奧氏體不銹鋼制壓力容器是否進(jìn)行焊后熱處理的要求比較含糊。在GB150中規(guī)定：“除圖樣另有規(guī)定外，冷成形的奧氏體不銹鋼封頭可不進(jìn)行熱處理”。
      至于其它情況是否進(jìn)行熱處理則可能由于不同人的理解而異。在GB150中規(guī)定：容器及其受壓元件符合下列條件之一者，應(yīng)進(jìn)行熱處理。其中的第二、三項(xiàng)為：“有應(yīng)力腐蝕的容器，如盛裝液化石油氣，液氨等的容器”和“盛裝毒性為極度或高度危害介質(zhì)的容器”。
      只是在其中規(guī)定：“除圖樣另有規(guī)定外，奧氏體不銹鋼的焊接接頭可不進(jìn)行熱處理”。
      從標(biāo)準(zhǔn)表述的層次來分析，這一要求應(yīng)理解為主要是針對第一項(xiàng)中所列舉的各種情況而言。上述的第二、三項(xiàng)的情況不一定能夠包括在內(nèi)。
      這樣可以更全面、準(zhǔn)確地表述對奧氏體不銹鋼制壓力容器焊后熱處理的要求，使設(shè)計者能夠根據(jù)實(shí)際情況自行決定對奧氏體不銹鋼制壓力容器是否需要熱處理和怎樣進(jìn)行熱處理。
      99版“容規(guī)”的第74條明確：“奧氏體不銹鋼或有色金屬制壓力容器焊接后一般不要求做熱處理，如有特殊要求需進(jìn)行熱處理時，應(yīng)在圖樣上注明。”
      2、爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板制容器的熱處理爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板因其優(yōu)越的耐蝕性能與機(jī)械強(qiáng)度的完美組合及其合理的性價比，因此在壓力容器行業(yè)的應(yīng)用越來越廣，但是這種材料的熱處理問題也應(yīng)引起壓力容器設(shè)計人員的注意。
      壓力容器設(shè)計人員對于復(fù)合板通常比較重視的技術(shù)指標(biāo)是其結(jié)合率，而對于復(fù)合板的熱處理問題往往考慮的很少或者認(rèn)為這一問題應(yīng)由相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及制造廠考慮。爆炸加工金屬復(fù)合板的過程，本質(zhì)上是在金屬表面施加能量的過程。
      在高速脈沖作用下，復(fù)材向基材傾斜碰撞，在金屬射流狀態(tài)下，復(fù)層金屬與基層金屬間形成鋸齒狀的復(fù)合界面，達(dá)到原子間的結(jié)合。
      經(jīng)過爆炸加工后的基材金屬，實(shí)際上是經(jīng)受了一次應(yīng)變強(qiáng)化的加工過程。
      其結(jié)果是抗拉強(qiáng)度σb上升，塑性指標(biāo)下降，屈服強(qiáng)度值σs不明顯。無論是Q235系列的鋼材還是16MnR，經(jīng)過爆炸加工后再檢測其機(jī)械性能指標(biāo)，都呈現(xiàn)出上述應(yīng)變強(qiáng)化現(xiàn)象。對此，鈦—鋼復(fù)合板與鎳—鋼復(fù)合板都要求復(fù)合板經(jīng)爆炸復(fù)合后，應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。
      99版“容規(guī)”對此也有明確的規(guī)定，但是對于爆炸復(fù)合奧氏體不銹鋼板未做這樣的規(guī)定。
      在現(xiàn)行的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對于爆炸加工后的奧氏體不銹鋼板是否進(jìn)行熱處理和怎樣熱處理的問題表達(dá)的比較含混。
      GB8165-87《不銹鋼復(fù)合鋼板》規(guī)定為：“根據(jù)供需雙方協(xié)議，亦可以熱扎狀態(tài)或熱處理狀態(tài)交貨。”GB4733-94《壓力容器用爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板》規(guī)定：“復(fù)合鋼板需經(jīng)熱處理、校平、剪邊或切割供貨。按需方要求，復(fù)合表面可經(jīng)酸洗、鈍化或拋光處理，亦可在熱處理狀態(tài)下供貨”。
      這里沒有提到如何進(jìn)行熱處理。造成這種狀況的主要原因仍然是前述的奧氏體不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的敏化區(qū)域問題。
      GB8547-87《鈦-鋼復(fù)合板》中規(guī)定鈦-鋼復(fù)合板消除應(yīng)力熱處理的熱處理制度為：540℃ ± 25℃，保溫3小時。而這一溫度恰好處于奧氏體不銹鋼的敏化溫區(qū)范圍內(nèi)（400℃--850℃）。
      因此，對于爆炸復(fù)合奧氏體不銹鋼板的熱處理問題給出明確的規(guī)定是比較困難的。對此，我們的壓力容器設(shè)計人員要有清醒的認(rèn)識，給予充分的重視，并采取相應(yīng)的措施。
      首先，復(fù)材的不銹鋼不得選用1Cr18Ni9Ti，原因是與低碳奧氏體不銹鋼 0Cr18Ni9 相比，其碳含量較高，更容易發(fā)生敏化，使其抗晶間腐蝕的能力下降。
      另外，當(dāng)爆炸復(fù)合奧氏體不銹鋼板制造的壓力容器殼體與封頭使用在較苛刻的條件時，如：壓力較高，壓力波動，盛裝極度、高度危害的介質(zhì)時，應(yīng)當(dāng)選用00Cr17Ni14Mo2這類超低碳奧氏體不銹鋼可使敏化的可能性降為最低。
      并應(yīng)明確提出復(fù)合板的熱處理要求，并與有關(guān)方面協(xié)商確定其熱處理制度，以達(dá)到基材具有一定的塑性貯備量，復(fù)材有合乎要求的耐腐蝕性能的目的。
      3、能否用其他方式代替設(shè)備的整體熱處理由于受制造廠條件限制，及經(jīng)濟(jì)利益的考慮，許多人曾探索用其他方式代替壓力容器的整體熱處理，雖然這些探索是有益和可貴的，但是目前還不能替代壓力容器的整體熱處理。
      在目前有效的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程中，還沒有放寬對整體熱處理的要求。在各種代替整體熱處理的方案中比較典型的有：局部熱處理，錘擊法消除焊接殘余應(yīng)力，爆炸法消除焊接殘余應(yīng)力及振動法，熱水浴法等。
      局部熱處理：在GB150—1998《鋼制壓力容器》10.4.5.3中規(guī)定：“B、C、D類焊接接頭，球形封頭與圓筒相連的A類焊接接頭以及缺陷焊補(bǔ)部位，允許采用局部熱處理方法。”這條規(guī)定意味著筒體上的A類焊縫不允許采用局部熱處理方法，即：整臺設(shè)備不允許采用局部熱處理方法，原因之一是焊接殘余應(yīng)力不能夠?qū)ΨQ消除。
      錘擊法消除焊接殘余應(yīng)力：即通過人工錘擊，在焊接接頭的表面迭加一層壓應(yīng)力，從而部分抵消殘余拉應(yīng)力的不利作用。
      這種方法從原理上講對防止應(yīng)力腐蝕開裂是會有一定抑制作用的。
      但是由于在實(shí)踐操作過程中沒有量化指標(biāo)和較嚴(yán)格的操作規(guī)程，加上對比使用的驗(yàn)證工作不夠，而未被現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)所采用。
      爆炸法消除焊接殘余應(yīng)力：是將炸藥特制成膠帶狀，在設(shè)備的內(nèi)壁粘在焊接接頭表面上，其機(jī)理與錘擊法消除焊接殘余應(yīng)力相同。
      據(jù)說此法可以彌補(bǔ)錘擊法消除焊接殘余應(yīng)力的一些不足之處，但是，有單位在兩個條件相同的液化石油汽儲罐上分別采用整體熱處理和爆炸法消除焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行對比試驗(yàn)，一年后開罐檢查發(fā)現(xiàn)前者焊接接頭完好如初，而經(jīng)爆炸法消除焊接殘余應(yīng)力儲罐的焊接接頭則出現(xiàn)許多裂紋。這樣，曾風(fēng)行一時的爆炸法消除焊接殘余應(yīng)力方法也就無聲無息了。
      還有一些其他的消除焊接殘余應(yīng)力的方法，由于種種原因都沒有被壓力容器行業(yè)所接受�？傊�，壓力容器焊后整體熱處理（含爐內(nèi)分段熱處理）雖然具有能耗大，周期長的不足，且在實(shí)際操作中因壓力容器結(jié)構(gòu)等因素面臨種種困難，但它仍是目前壓力容器行業(yè)中唯一被各方面都能接受的消除焊接殘余應(yīng)力的方法。

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