低温压力容器焊后热处理的方法探究

低温压力容器焊后热处理的方法探究

张曦晗

青岛创耀机械有限公司 山东青岛 266000

摘要：在压力容器制造中，逐渐产生很多新型技术，压力容器质量显著提升。在石油化工、制药、冶金等各个领域，均可应用压力容器，因此，压力容器与工业生产以及人们的日常生活密切相关。低温压力容器是化工工程中十分重要的设备，在低温应力影响下，容易发生脆性故障，而通过应用焊后热处理工艺，能够有效降低脆性事故发生率。对此，本文首先对设计温度和材料选择进行介绍，然后对低温压力容器焊后热处理技术进行分析，并结合实例，对低温压力容器焊后热处理方法进行详细探究。

关键词：低温压力容器；焊后热处理；方法

一、设计温度

在低温压力容器设计中，设计温度是最为关键的因素，通过对低温压力容器设计标准进行分析，要求重点考虑两个因素，包括介质温度以及环境温度，同时还应针对具体问题进行针对性分析。在不同环境中，材料的选择、结构设计均有较大差异，通常情况下，应当将-20℃作为设计标准，如果设计温度无法达到这一标准，则会对低温压力容器质量造成不良影响。在设计设备中，要求确定设计温度、压力因素、环境因素、保温措施、冷处理措施等等，而在施工环节，针对低温压力容器设计温度，可开展以下研究：

对于元件金属沿界面厚度的平均温度，又可被称为金属温度系，如果两侧流体温度差异较大，则在表面温度计算中，可采用传热计算模式进行计算分析，同时要求综合考虑不同数据之间的关联，包括元件金属热量传导、流体和壁之间的隔热、污垢热阻等等，均需代入公式计算。但是，在具体的设计计算中，很多数据无法查处，包括介质传热系数、给热系数等等，因此，一般以经验代入进行计算分析。对于已投入生产运行的同类容器，为了能够对受压元件金属温度进行计算，要求开展测量工作确定。对于露天厂房容器，由于无法采取采暖措施，因此，在壳体金属温度确定方面，应当综合考虑环境气温条件的影响^[1]。

二、材料选择

为了促进低温压力容器耐寒特性以及整体质量的提升，应当选择机械性能比较好的原材料，比如，在选择金属材料时，选择耐寒性较好的金属材料。当普通金属材料处于低温状态时，容易发生断裂，可对其工作效果造成不良影响，因此，应当采取有效措施，提升金属材料在低温状态下的韧性。比如，在炼钢过程中，可加入一定量的镍，其能够有效转变位错运动，进而避免应力集中于某个部位，促进金属材料韧性的提升，可对钢材料进行正火处理，据此改善钢材韧性。在正火处理中，晶粒细化，同时中轧温度显著降低，冷却速度随之发生变化，通过观察显微组织，即可发现处于均匀分布状态。金属材料类型较多，因此，在材料选择方面，应当注意以下几点：（1）如果设计温度在-40℃～-20℃之间，在钢材选择方面，应当尽量选用低碳锰钢；（2）如果设计温度在-196℃～-40℃之间，在钢材选择方面，应当尽量选用镍钢；（3）如果设计温度在-273℃～-196℃之间，在钢材选择方面，应当尽量选用铬镍奥式体高合金钢。另外，还应注意，如果碳素钢、低合金钢合体钢板的厚度在20mm以上，则应当采用超声波技术进行检测，保证所选择的材料符合相关标准，而如果选用铬镍奥体高合金钢，则在应用前应当做好硬化处理，提升材料强度^[2]。

三、低温压力容器的焊后热处理

（一）加热温度。低温压力容器钢材强度的影响因素比较多，包括材料材质、焊后热处理温度，如果焊后热处理温度比较高，则会对钢材强度产生直接影响，因此，对于加热温度，应当控制在最低回火温度以下。在低温压力容器设计制造中，一般采用调质低温用碳素钢，其最低回火温度一般为600℃，因此，在焊后热处理中，应当将加热温度控制在600℃以下，同时，综合考虑设计温度、施工条件等确定最适宜加热温度。

（二）保温温度。在焊后热处理中，保温温度一般要求控制为550℃，保温温度会对焊后热处理后的残余应力产生较大影响。对于保温温度，要求控制在相变温度、钢材回火温度以下，同时不能对母材、焊接区使用性能造成不良影响。另外还应注意，保温温度与钢材应力松弛、焊接气体排除、淬硬区软化密切相关。在焊后热处理中，保温是十分重要的环节，其能够对热处理效果产生较大影响。根据焊后热处理实践经验进行分析，如果保温温度比较低，则在延长保温时间后，可能也无法达到良好的热处理效果。

（三）保温时间。保温时间会对应力松弛度、焊接气体残留、组织稳定性等密切相关，因此，要求综合考虑各类因素选择适宜的保温时间。另外，还应注意避免对母材、焊接区使用性能造成不良影响，尽量缩短低温压力容器生产制造时间。在焊后热处理中，如果加热温度无法达到正规加热温度，则可适当延长保温时间，但是，如果保温时间比较长，则在高温影响下，焊缝位置会发生复杂的化学反应，导致脱碳层厚度增加、焊缝金属结晶粗大，对低温压力容器的机械性能、结构强度造成不良影响。

（四）加热速度。在选择加热速度时，应当保证在焊后加热过程中，壁厚件的温度能够均匀提升，同时还应综合考虑形状尺寸变化所造成的温度不均问题，如果加热速度比较快，则会导致容器发生变形，或者产生裂缝。另外，加热速度会受到固定炉的影响，不同部位所处温度不同，在加热过程中，温度上升速度也有一定差异，为了降低能耗损失，对制造时间进行有效控制，应当注意不能过度降低加热速度。除此以外，如果钢板厚度比较大，则加热速度较慢，同时，加热时间比较长，对于控制系统的要求比较高，因此，对于加热速度，应当控制在50℃/h以上。

（五）冷却速度。炉温、焊接区性能、母材等均会对冷却速度产生较大影响，在冷却速度控制方面，要求保证温度均匀降低，避免温度不均匀。如果冷却速度的降低速度比较快，则容易产生裂缝或者变形问题，同时还可产生残余应力。对此，为了缩短低温压力容器制备时间，对于冷却速度，应当控制在50℃/h以上，如果结构厚度比较大，则对于冷却速度，应当控制在200×25/t（℃/h）左右，t指的是结构厚度。

（六）出入炉出炉温度。在低温压力容器焊后热处理中，在入炉和出炉时，一般需将温度控制在400℃以下，能够有效避免温度过高而导致变形，或者产生结构裂缝。如果出炉温度比较高，则在冷却过程中，所产生的残余应力比较大，容易导致裂缝或者变形问题。在特殊部件热处理中，当温度达到100℃以下后即可出炉^[3]。

四、工程实例

在低温压力容器焊后热处理中，选择乙烯分馏塔第二中间再沸器E-EA410B壳体作为研究对象。壳体原材料为SA516GR70，其规格为1400×16×5990mm，该设备为Ⅱ类设备，其型式为H-BKM，设计温度-25℃。

（一）确定热处理工艺参数。在该壳体焊后热处理中，加热温度：600±25℃；保温时间：1h；加热速度：150±20℃/h；冷却方式：400℃以下炉中自然冷却至常温；装炉温度：常温。在壳体焊后热处理后，要求硬度HB达到197以下。

（二）热处理结果。在该壳体焊后热处理中，加热温度：620℃；保温时间：1.5h；加热速度：150℃/h；冷却速度：140℃/h；在壳体焊后热处理后，焊缝硬度HB为110±10，热影响区硬度HB为110±10，母材硬度HB为105±5。

总结：

综上所述，本文主要对低温压力容器焊后热处理方法进行了详细探究。在低温压力容器生产制造中，焊后热处理是十分重要的工序，对于低温压力容器制造质量会产生较大影响。热处理所需时间比较长，要求对低温压力容器的结构特征、材料类型等进行分析，据此对焊后热处理各项参数进行调节控制，保证焊后热处理效果。

参考文献：

[1]赵英杰，王月香，王建军，等.焊后热处理工艺对压力容器用钢板组织性能的影响[J].山东冶金，2021，43（2）：4.

[2]于瑛琦，陈毅磊，贾思洋.钢制压力容器焊接工艺及焊后热处理方法分析[J].科技创新与应用，2020（6）：2.