基于压力容器设计中的热处理问题分析与研究

摘要：在压力容器的设计中，热处理一种行之有效方法来解决容器金属焊后的一系列问题。本文概述了常见的压力容器设计中的一系列热处理问题以及采用热处理的目的和重要性，并简单介绍了几种常见的金属焊后热处理方法，为相关的从业人员提供理论参考。

关键词：压力容器，设计，热处理，分析，方法，研究

引言：

热处理是一种传统的改善金属材质性能的方法，在压力容器设计中，针对压力容器的具体情况与用途，在焊后进行热处理，其主要目的是降低焊接残余应力，改善焊接接头的组织和性能。目前，压力容器设计中的热处理主要分为：焊后热处理即消除应力热处理、改善材料热处理、恢复材料性能热处理和焊后消氢热处理四种。需要指出的是焊后消氢热处理要求在焊接完成后立即进行热处理，这样不仅能释放焊缝金属中的氢，而且还能防止焊接接头产生冷裂纹。

1.常见压力容器设计中的热处理问题以及热处理的目的

压力容器，即主要用来盛装液体或气体，同时要承载一定的压力的密闭封存的盛装设备，其按用途又可分为贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器等。

压力容器的热处理，顾名思义，就是运用相应的热源及材料对其进行加热、实现保温和冷却的过程。在这个过程中，不改变金属材料的外部形状，但却使内部金属组织结构发生一定程度的变化，使其符合要求。过程中，金属材料的基本性能会得到更好的调控以及潜能的更大发挥。

常见的压力容器的热处理问题是由于金属焊接的缺陷造成的。由物理学原理可知，焊接过程中焊接接头的熔合线附近，温度处于固、液相态之间，温度下降冷却时，组织就会出现一个过热的现象，致使组织呈现出晶粒粗大、化学成分不均匀的现象，与此同时组织也变得极不均匀、组织强度上升但可塑性却有所下降。而熔和线外侧的过热区还会伴随出现尉氏组织和索氏体的物质，使得这个区域的韧性显著下降。过热区外侧的正火区，由于加热和冷却的双重作用，形成了一种细小均匀的铁素体加珠光体的物质。综上所说，由于熔和线处的温度差，造成了熔池的杂质不断有熔和线向融合中心移动，使得熔池中心部分最容易产生夹渣缺陷，再加之熔和线的冷却速度差异，便产生了普遍的裂纹，而这些裂纹会以不同的形态体现出来。如焊接腐蚀裂纹接头因钢材淬硬性产生裂纹、有氢扩散产生的冷裂纹以及热裂纹和晶间纹等。

正是由于金属焊接过程中的缺陷所造成的一系列问题，使得压力容器的热处理变得尤为重要。焊接后的热处理主要有一下四个目的：1. 松弛焊接的参与应力，从而更好的完成焊接过程；2. 焊接后的热处理可以更好的使压力容器的结构稳定，固定并完善其结构的形状与尺寸，降低畸变率；3. 可以更好的改善材料与焊接区的性能，如焊缝金属的塑性、热影响区硬度、断裂的韧性以及金属的疲劳强度等；4. 可以有效提高容器的抗应能力和抗腐蚀能力，更好的释放焊缝金属中的有害气体，从而防止或延迟裂纹产生。

2.压力容器设计中热处理的重要性

2.1压力容器设计中的热处理的综合考虑。

《钢制压力容器》规定压力容器要进行焊后热处理并不是说热处理就具有绝对的优势，这主要却取决于压力容器的最终要求和用途，虽然热处理可以有效地缓和容器焊后的残余应力，但热处理的长时间高温会使容器的结构失去刚性，因此要充分考虑焊接能否承受住高温。

2.2压力容器进行热处理的必要性。

众所周知，压力容器在焊接后，其焊接处存在较大的残余应力，而这种残余应力会与焊缝中的氢作用结合，造成热影响区硬化，从而导致冷裂纹或延迟裂纹的产生，再加之侵蚀性介质成分、浓度、温度等的不同一系列因素，使得腐蚀破坏的性能也产生了变化，这种情况下就是热处理显得尤为必要。通过热处理，来形成耐腐蚀的焊接接头，从而使得压力容器的拥有更好的性能。

2.3压力容器进行热处理的重要性。

首先，通过对压力容器进行热处理，可以有效地去除残余应力，从而稳固容器结构，提升容器性能。其次，通过热处理可以有效改善金属材料的力学性能——通过退火、正火、正火加回火、调质等方法，来使得容器的某些材料特性发挥出来。如退火是通过降低压力容器的硬度来实现便于加工，同时缓解残余应力，稳定尺寸；正火可以使晶粒细化，碳化物分布更加均匀，由于正火的冷却速度较快，从而使得正火组织更加精细，因此压力容器的机械性能也就更好；正火加回火可以更加有效的消除残余应力，从而提高压力容器的韧性和塑性。最后，压力容器进行热处理地位重要，这主要是因为压力容器的应用广泛，在能源、军队、科研以及石油化工等领域都拥有十分重要的应用，因此作为完善压力容器性能的热处理自然地位显耀。

3.压力容器焊后热处理主要方法

压力容器焊后热处理的主要方法分为炉内整体热处理、整体热处理、分段热处理和局部热处理几种。其中炉内整体热处理是指将压力容器放在密闭的炉内进行加热处理，其主要针对于需要进行焊后热处理的容器，如高压容器、中压反应容器和储存盛装混合液化石油气的卧式储罐、移动式压力容器等。而对于大型的压力容器如大型球罐因体积问题无法在炉内进行整体加热处理，可采用内燃法、热风法和电热等方式进行处理，也可以进行炉内分段加热处理。

结语：

综上而言，热处理是一种行之有效的改善和恢复金属性能的方法，在容器的设计和制造中占据着十分重要的地位，所以设计人员应当根据具体情况进行认真分析研究，并依据相关标准选择合适的热处理办法。

4.参考文献：

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[5] 刘玠.高起点少投入快产出高效益——老企业技术改造的探索与实践[A].中国金属学会2003中国钢铁年会论文集（1）[C].2003.

5.作者简介

钱洪田，男（1981年02月—），汉族，本科，于2003年毕业于中国石油大学（华东）过程装备与控制工程专业，在中油辽河工程有限公司从事设计工作，工程师职称。