不锈钢复合板压力容器的热处理

黄志慧，张述旺,戴 婧

(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266101)

在原油价格高企的时期，出于降低成本的考虑，越来越多的炼油厂将加工原油转向品质较差的高硫高酸原油，设备的腐蚀问题随之越来越明显地暴露出来。

奥氏体不锈钢(以下简称不锈钢)因其优良的耐腐蚀性能和良好的加工、焊接性能，用作化工压力容器设备(以下简称设备或压力容器)筒体的越来越多，但由于其价格昂贵，如非特殊需要，实际多采用基层为碳钢、覆层为不锈钢的复合钢板。本文中碳钢指炼油化工装置中用的最多、最广泛的Q245R、Q345R等压力容器用碳素钢板。

随着装置大型化，压力容器尺寸越来越大、壁厚越来越厚，需要进行热处理的越来越多，另外一些特殊设备，如换热器管箱，也经常需要进行热处理，如对复合板制上述压力容器进行热处理，热处理对复合板覆层有没有影响？有什么影响以及如何应对？这是本文讨论的问题。

1 压力容器的热处理

广义上讲，焊后热处理就是工件焊接完毕对焊接区域或焊接构件进行的热处理，其内容包括消除应力退火、完全退火、固溶、正火、正火加回火、淬火加回火、回火、低温消除应力、析出热处理等。狭义地讲，焊后热处理仅指消除应力退火，即为了改善焊接区的性能和消除焊接残余应力等有害影响，对焊接区及有关部位在金属相变温度点以下均匀而又充分的加热，然后又均匀冷却的过程。本文所讨论的热处理即指焊后消除应力热处理，主要目的：(部分)消除焊接产生的残余应力、提高抗应力腐蚀的能力；改善母材、焊缝及热影响区的性能；避免消除制造过程中的过量冷卷、冷矫形引起的冷作硬化，恢复冷成形中降低的屈服强度[1]。

这是常用的碳钢材质容器的热处理，复合板压力容器基层厚度达到规定要求时，也应照NB/T 47015-2011规定执行，这是没有任何问题的，但应注意复合板有其特殊性，碳钢基层和覆层不锈钢是两种不同类型材质。

2 不锈钢及其热处理

前述是关于碳钢(基层)的热处理，GB/T150.4中关于不锈钢的热处理：

“8.2.4 当需要对奥氏型体不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢进行热处理时，按设计文件规定”。

“8.2.5 除设计文件另有规定，奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢的焊接接头可不进行热处理”。

也就是标准对是否需要进行热处理，交给了设计人员决定。

不锈钢热处理应该从它的耐蚀性能说起。

2.1 不锈钢的耐蚀性能

铁的标准电极电位比氢小，为负值，在铁基固溶体中铬的含量超过12%(重量比)时，其电极电位由-0.56V跃增至+0.2V，材料发生钝化，具有了抗一般介质腐蚀的性能，铬含量在12%～14%之间称为不锈钢，铬含量在16～18%耐腐蚀更强的钢称为耐酸钢，通常统称为不锈钢[4]。

2.2 不锈钢的晶间腐蚀

不锈钢中的Cr元素是使钢具有耐蚀性，C元素使钢的强度增加，正常状态下C和Cr在不锈钢中是呈固溶态均匀分布的。在450～850℃范围内缓慢冷却时，不锈钢中C和Cr就会形成复杂的高铬碳化物Cr23C6从奥氏体中析出而分布在晶界上，使晶界附近的含铬量低于钝化必须的的限量(即12%的Cr)，在晶界形成贫铬区，钝态受到破坏，晶间区域电位下降，而晶粒本身仍维持电位较高的钝态，在腐蚀介质的作用下，晶界处就容易出现腐蚀，即晶间腐蚀。

晶间腐蚀是铬镍不锈钢容器最常见的失效形式。晶间腐蚀使材料的机械强度和耐蚀性能完全丧失，且从外观上不易觉察，所以，全不锈钢材质设备会突然破坏，它的危害性很大；如果是复合板容器，一旦覆层不锈钢耐蚀性能丧失，腐蚀就会从晶界开始发展成裂纹，介质穿过裂纹很快就会接触到基层碳钢，对碳钢造成腐蚀，而且碳钢抗腐蚀性能较不锈钢差，腐蚀进程会很快，直接影响压力容器的安全。

2.3 不锈钢的热处理及钢板交货热处理状态

为了保证不锈钢的耐蚀性能，需要将奥氏体不锈钢加热到1100℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，碳固溶于奥氏体中，然后快速冷却至室温，使碳达到过饱和状态，这就是对不锈钢进行固溶处理。所以，GB/T 24511-2017《承压设备用不锈钢和耐热钢板和钢带》中规定[5]，不锈钢的热处理交货状态为“1040℃水冷或其它方式快速冷却”，即固溶热处理，目的是使不锈钢中的Cr、C元素均匀地分布在钢中。

3 复合板压力容器热处理问题

GB/T150.4中规定：“8.2.6.6复合钢板容器及其受压元件热处理时，应采取措施保证容器(特别是覆层材质性能)满足使用要求”[2]。

前文中已经提到：碳钢压力容器焊后热处理温度为600～680℃，最短保温时间与厚度有关，最少15min多则2小时以上，延长保温时间有利于焊接残余应力的消除。从容器热处理温度可以看出，PWHT热处理温度在不锈钢敏化温度(450～850℃)范围内，热处理时不锈钢存在形成高铬碳化物的可能，将会发生晶间腐蚀。这就是GB/T 150.4中没有明确规定复合板容器如何进行热处理的原因。

固溶热处理可以使高铬碳化物Cr23C6重新分解出Cr和C，均匀分布于不锈钢中，那可否对复合板压力容器在PWHT后再进行固溶处理，或者做固溶处理同时代替PWHT？

前文提到不锈钢的固溶热处理是由1100℃快速冷却至室温，一般较小零部件是可以实现，但是大型的化工压力容器设备，或结构复杂的设备，比如管壳式热交换器，上述的关键工艺参数难以得到控制，更谈不上保证焊后热处理质量。即便处理也往往弄巧成拙，不仅焊缝组织结构未能得到改善，母材组织结构反而可能遭到不应有的恶化。另一方面，由于设备尺寸庞大或者结构复杂，对设备整体进行急冷，实现起来是非常困难的，并不像的钢板或形状简单的封头那样可以被快速冷却。同时，在超过1000℃的高温下，设备自身质量往往也成为其不能承受之重。

4 应对措施

复合钢板压力容器根据容器基层厚度、按照标准规范要求进行PWHT是必须的和毋容置疑的，关键是消除应力的同时要保证覆层材质耐蚀性能，可以采用以下几种措施：

4.1 选用超低碳不锈钢或稳定化元素不锈钢

超低碳不锈钢是大幅降低不锈钢中的碳含量，这样Cr与C结合生成Cr23C6的机会大大减少，不会造成晶间贫铬，常用的超低碳不锈钢有022Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo2、022Cr19Ni13Mo3。

不锈钢中稳定化元素为Ti和Nb，在钢中形成较Cr23C6更稳定的碳化物TiC或NbC，没有游离的C可与Cr形成高铬碳化物。添加稳定化元素不锈钢主要有06Cr18Ni12Mo2Ti、06Cr18Ni11Nb、07Cr18Ni11Nb，稳定化不锈钢(覆层不锈钢)应进行875℃以上温度的稳定化热处理。此类不锈钢价格较贵，选择时还应综合考虑。

4.2 选用铁素体不锈钢

同样据上研究，06Cr13、06Cr13Al等铁素体不锈钢产生晶间腐蚀的敏感温度是950℃，碳钢热处理温度(600～680℃)达不到此敏化温度，可以进行正常的消除应力热处理。

4.3 热处理工艺措施

有研究表明[6]，奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的敏感温度为650℃，降低热处理保温温度避开敏化温度，但应延长保温时间，NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》中有相关规定。

此研究只进行了几个温度点，对不同温度和不同材质不锈钢是否都普遍适用，还有待后续研究。

4.4 其它需要注意的问题

除热处理外，容器最重要的制造步骤--焊接，是一个熔炼过程，焊接时的热量足以使焊缝及热影响区达到1000℃以上高温，如果条件充足，也有可能形成高铬碳化物，焊接线能量越大影响范围越大，特别是厚壁容器在进行自动焊时；因此，焊接应该采用小电流、多道焊，辅以浇水快速冷却，或者焊丝、焊条采用低碳型或含稳定化元素Ti和Nb的焊条。

复合板设备上的开口接管、法兰通常选用与覆层同材质不锈钢，或者采用同材质整体不锈钢锻件，前述的问题同样存在，宜应同时加以考虑。

5 结束语

不锈钢复合板可以有效地减缓腐蚀、延长设备的使用寿命，保证装置长周期运行；作为压力容器设计来讲，并非简单选用复合板就万事大吉，应该考虑铬镍奥氏体不锈钢复合板容器在制造过程中可能形成的晶间腐蚀隐患，并加以消除，一旦产生则难以通过热处理方式彻底消除，实际操作不太可能实现。所以，针对具体的腐蚀环境和腐蚀机理，选择更适合的不锈钢复合板，采用正确的焊接方法，恰当组合上述几种防止和控制措施，才能取得好的效果。