热处理技术在石油化工压力容器中的应用

杨晓东

(阳煤集团太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400)

引 言

一直以来，我国都十分重视石油化工行业的建设与发展，其中压力容器是石油化工行业中的特种设备，也是该行业内的重点设备。石油化工压力容器的安全性对石化企业的生产作业具有重大影响，其中石油化工压力容器的基体材料容易受到环境腐蚀影响，而容器的焊缝位置容易发生断裂等失效情形，因此石油化工压力容器必须针对其使用材料和使用环境选择合适的热处理工艺，并严格控制实施过程，以降低或消除石油化工压力容器基体材料的残余内应力，提高材料的机械性能，并提升石油化工压力容器的使用寿命和稳定性，进而减少石油安全事故的发生。

1 热处理技术的概念及重要性

热处理技术是通过将金属材料放置于某种介质后，执行特定的加热、保温和冷却处理操作，进而改善金属材料内部和表面组织结构或材料成分，以实现改善金属材料机械性能、消除残余内应力的一种工艺过程。在石油化工压力容器的生产加工过程中，折弯、焊接等加工工艺均会在基体内产生不同程度的残余内应力，这些残余内应力会在一定程度上降低金属材料的强度和抗疲劳能力，还容易造成材料脆性断裂和应力腐蚀，因此残余内应力通常是基体发生断裂等实效情形的根源。例如，高强度的钢材料在生产过程中容易发生氢脆现象，为避免出现氢脆而采用的脱氢处理，同样也属于热处理技术。同时，松弛的残余内应力可能导致零件发生变形，进而影响零件的尺寸精度，因此热处理技术在金属零件加工过程中尤为重要[1]。

2 热处理技术的加工工艺

根据热处理技术的目的，可以将热处理划分为预先热处理和最终热处理，预先热处理是为消除上一道工序的缺陷或便于后面工序加工而设置的热处理，最终热处理则是为保证零件最终使用性能而设置的热处理；根据热处理技术的性质，可划分为普通热处理、形变热处理和化学热处理。其中普通热处理仅改变金属材料的组织结构，形变热处理结合了材料形变强化与热处理强化，前两种热处理工艺均为改变材料成分，而化学热处理则会同时改变材料成分和组织结构。

常见的热处理技术有主要为回火、退火、淬火和正火，四种热处理工艺的本质均为在可控条件下对金属材料进行加热、保温和冷却操作，因此保证对加热、保温、冷却三项重要工艺环节的精确控制，则是提升石油化工压力容器材料机械性能和稳定性的重点。热处理加热过程通常使用内燃法和电热法两种，当金属材料被加热到某一特定温度区间后，便要通过保温技术将加热后的金属材料进行一定时间的保温，这个过程中金属材料的组织结构、材料强度、硬度、残余内应力，甚至是材料成分都会发生一定变化。达到保温时间后则需要对材料进行冷却，金属材料的冷却速度也直接影响其自身的机械性能和组织结构，最终使材料恢复至室温以保证机械性能的稳定性。

3 热处理技术在石油化工压力容器中的应用

热处理技术在石油化工压力容器中的应用，具体体现为：基体焊接前的预热、焊接完成后的热处理以及特殊化学热处理。

3.1 焊接前预热

将金属材料升高到特定温度进行预热处理，高温可以改变基体材料的组织结构，在一定程度上减小金属材料的强度和硬度，改善金属材料的焊接性能。针对石油化工压力容器的焊接作业，预热作用主要体现在三方面。一是对其进行预热后，可以有效降低焊接后的冷却速度，帮助基体材料焊接区域中氢的脱离，减小氢致断裂的可能性，预热能减缓焊后的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹。并能降低焊接区域的淬硬程度，增加其抗裂性[2]；二是通过整体或局部均匀预热能够缩小焊接位置与其他区域间的温度差，从而能够减小焊接应力。同时预热还减小了焊接应变速率，从而可以有效防止焊接裂纹产生；三是预热能够减小焊接基体的拘束度，在一定范围内提高预热温度会降低裂纹的发生率。因此，在焊接石油化工压力容器时，应根据基体材料和焊条的具体化学成分，以及焊接结构的刚性和具体焊接方式，确定具体的预热的温度与层间温度。

3.2 焊接后热处理

在石油化工压力容器的焊接工作完成后，对其进行热处理操作目的主要有三类。一是为了除氢，当对金属材料进行焊接后，焊接区域温度仍高于100 ℃以上时，对该材料进行低温热处理可以加速焊接区域及其热影响区内氢的脱离，从而防止低合金钢等石油化工压力容器常用材料发生氢脆现象，降低焊接区域产生裂纹的可能性；二是消除焊接产生的残余内应力，残余内应力主要来源于两方面：一方面是焊接过程中材料由于发生快速升温和冷却，容易导致金属材料内部产生不均匀的内应力[3]。另一方面是焊接石油化工压力容器时由于其本身或外界的拘束导致产生的内应力。焊接后通过局部或整体的高温回火热处理可以有效消除金属材料的残余内应力；三是改善材料的力学性能，石油化工压力容器常用的合金钢材料焊接后所形成的焊接接头，其组织结构会发生改变，并产生部分淬硬组织，从而破坏了金属材料的机械性能，而通过焊接后热处理就可以在一定程度上降低材料的硬度，改善焊接区域的塑性和韧性，使材料获得较好的综合力学性能，同时还能提升石油化工压力容器内部组织结构的稳定性，以及其外形尺寸的稳定性和精度。针对石油化工压力容器的结构件，普通材料的结构件在焊接后仅需进行去应力退火热处理即可，而对于部分中碳钢和高碳钢结构件、补焊件和不同材料的焊接件，通常需要进行能够使基体材料组织结构均匀化、成分均匀化，并能够消除焊接内应力的正火热处理[4]。

3.3 特殊化学热处理

石油化工压力容器包含众多组成零件，由于各类零件的具体作用不同，所以零件所侧重的机械性能也不同，因此石油化工压力容器在生产制造过程中，零件通常包含一些特殊技术要求。一是部分零件表面需要较高的耐磨性，对于普通钢零件可以采用渗碳淬火法，在零件表面形成高碳马氏体硬化表层，而对于合金钢零件用渗氮法能够在零件表面形成合金氮化物的弥散硬化表层，两种方式均能显著提升零件表面硬度，硬度可以高达HRC60以上；二是部分零件要求有较高的疲劳强度，通过渗碳和渗氮等化学热处理方式，均能够钢件的表面产生一定的残余压应力，从而使零件的疲劳强度得到提升；三是部分零件要求有较好的抗腐蚀性和抗高温氧化性，其中通过渗氮化学热处理能够增强其抗腐蚀能力，在钢件表面渗硅、渗铝、渗铬后，可以在零件表面生成一层稳定、致密的SiO2、Al2O3、Cr2O3膜层，从而增强零件的高温抗氧化性和抗蚀性。通过化学热处理的方式，可以使石油化工压力容器零件在保持自身高韧性基体材料的同时，额外获得优异的表面机械性能，从而使零件获得了更佳的综合性能[5-6]。

4 结语

石油化工行业对生产安全性要求极高，因此石油化工压力容器必须有极高的安全性和稳定性，这便对其材料的机械性能提出了更高的要求，而热处理技术对于增强石油化工压力容器材料性能具有十分重要的作用。在石油化工压力容器的生产制造过程中，热处理技术可以在一定程度上优化材料的组织结构，消除残余内应力，并能提升材料的综合性能以及部分机械性能，进而增强了石油化工压力容器材料的安全性和可靠性。