钢制压力容器焊后热处理研究

闫虎刚

（三门峡化工机械有限公司，河南 三门峡 472000）

压力容器主要是指含有气体或液体，需要承受一定压力，对安全性要求较高的密闭设备，被广泛应用于化工、石化等行业。焊接工艺作为钢制压力容器制造和安装的重要工艺，直接影响压力容器的安全。在焊接过程中，不同的焊接方法有不同的焊接工艺。同时，焊接件的材质、焊接环境和结构也会影响焊接质量。焊接是一个局部快速加热和冷却的过程，在短时间内温差较大的情况下，焊接件容易产生应力和变形，从而影响焊接接头的强度、塑性和韧性。为了消除这种应力，避免焊接变形的发生，应采用焊后热处理工艺，减缓焊后冷却速度，提高焊接质量。

1 钢制压力容器焊接工艺

1.1 焊接方法

钢制压力容器应用广泛，焊接方法相对成熟，适用的焊接方法有气焊、电弧焊、埋弧焊、等离子焊等。不锈钢复合板的焊接方法一般有电弧焊、钨极氩弧焊和埋弧焊。在实际焊接过程中，应根据工件的结构、形状和焊接位置选择合适的焊接方法。例如，在一些换热器中，管箱和浮头罩基本上是复合材料，焊接空间有限，直缝不长，可以采用双面焊。采用电弧焊的焊接方法，操作相对简单，焊件形状和焊接位置的影响小，焊接成本低，焊接质量高。具体应用时，焊接方法的确定较为灵活，需根据实际情况分析哪种焊接方法更合适，从经济性、可行性、简便性等方面综合考虑，但最基本的是要保证焊接质量。

1.2 焊接材料的选择

由于钢制压力容器材料复杂，焊接材料的选择应根据母材性能和焊接方法来确定。不锈钢复合板由不锈钢和碳钢或低合金钢组成，不锈钢耐腐蚀，碳钢或低合金钢板可承受结构所需的强度和刚度，因此不锈钢复合板的物理性能和化学成分存在很大差异。对于不锈钢复合板，在选择焊接材料时，可遵循基体等强度和涂层保证耐腐蚀的原则。耐热低合金钢采用同一钢种焊接时，焊后焊缝金属中铬、钼的含量应与母材中规定的含量相当，或符合设计文件规定的技术要求；高合金钢与同一钢种焊接时，一般应考虑焊接材料的耐腐蚀性；当焊接不同钢种时，由于两侧母材的抗拉强度不同，对焊接后焊缝金属的抗拉强度值有一定的要求，其值应介于抗拉强度较低的母材的下限值和抗拉强度较高的母材的上限值之间，以保证焊接接头的强度；如果使用能产生奥氏体焊缝金属和非奥氏体母材的焊接材料进行焊接，由于母材与焊缝金属膨胀系数不同，应充分考虑焊接过程中产生的应力效应；奥氏体高合金钢与碳钢、低合金钢焊接时，应充分考虑焊缝金属的抗裂性和力学性能。以上是对钢制压力容器焊接材料选择时可能遇到的不同情况的简要分析，实际选择中考虑的问题需更加全面。

1.3 焊接设备与环境

不锈钢复合板的焊接可采用电弧焊的方法。直流焊机可用于基层、过渡层和熔覆层三种焊缝，并可选用逆变焊接电源。焊接环境是焊接过程中需要控制的内容之一，因为焊接环境的温度、湿度和风速都会影响焊接质量。因此，在焊接施工前，应测量环境中的温度、湿度和风速。在不锈钢复合板表面0.5～1m范围内，可在0℃以上、风速2m/s以下的环境下进行焊接；雨雪天气焊接温度在0～20℃时，应在距焊点100mm范围内进行预热，焊接应在15℃以上进行。不同的焊接方法对风速有不同的要求，风速超过规定范围时，应采取相应的防风措施。

2 钢制压力容器焊后热处理

2.1 焊后热处理的作用

由于焊接施工是对焊件局部区域进行加热和冷却的过程，焊接区域在短时间内会受到高温热源和局部约束应力的影响，因此在焊接接头的各个部位经历不均匀的冷热变化后，焊接接头中会存在焊接残余应力，焊接区和热影响区的金属会有化学成分和金相组织发生很大变化。为了改善焊接接头的结构、性能和稳定性，必须采用焊后热处理，消除焊接接头中的残余应力，提高焊缝的耐蚀性、冲击韧性、强度和蠕变性能。

2.2 焊后热处理的保温温度和保温时间

保温温度和保温时间是焊后热处理的重要参数，直接影响焊后热处理的效果。保温温度的确定应先高于行业规定的最低温度，再判断钢的屈服强度，以保证焊接接头的金属在适当的温度下能产生一定的塑性变形，消除接头中的残余应力。保温温度的控制还应考虑钢中的氢能处于活性状态，使氢从钢中溢出，降低氢含量，防止焊缝冷裂纹。为了恢复钢的强度、硬度、塑性和韧性，一般将温度控制在450℃以上，此时晶粒再结晶，钢的性能得到恢复。由于焊件厚度和结构的不同，焊后热处理的保温时间也不同。在焊件厚度大、结构复杂的情况下，为减少温差应力的产生，应适当延长保温时间，保证焊件内外温度达到均匀状态。对于碳钢和低合金钢，当焊件加热到一定温度时，其组织转变将经历孕育、转变和转变结束三个阶段。为了获得理想的组织和性能，应在确定保温温度后确定最短保温时间，为组织转变的实现提供足够的时间。在我国钢焊接件焊后热处理中，对最小保温温度和最小保温时间有明确规定，但对最大保温温度和最大保温时间没有明确规定。因此，在焊后热处理的实际操作中，工艺人员应充分发挥自己的专业性和实践经验，在综合因素的基础上合理确定热处理工艺。

2.3 焊后热处理方法

（1）整体热处理。小直径、小体积压力容器的现场修复通常采用整体热处理，一般采用燃烧器加热或电加热。如果燃烧器用于加热，通常在容器的开口处放置一个或多个燃料和气体燃烧器，通过强制对流均匀加热容器的外壳。为了使壳体保持在一定的温度范围内，通常在容器外表面铺设一层保温层，以减少温度损失。

（2）局部热处理。许多大型钢制压力容器由于在运输过程中受体积限制，不能整体运输，因此需要对钢瓶和管道进行现场焊接和安装。对于此类焊缝和需要局部补焊的焊缝，可采用局部热处理。由于局部加热会产生较大的热应力，因此筒体与连接管的焊接区域应采用焊后热处理。局部热处理一般采用电加热，操作控制方便。具体操作规范可参照国内压力容器制造标准。

3 结束语

压力容器作为一种焊接成形设备，其焊接质量对其使用安全至关重要。不同的材料采用不同的焊接方法和焊接工艺。根据钢制压力容器的焊接工艺，应根据钢制压力容器在材料和性能上的特点，选择合适的焊接方法，然后制定相应的焊接工艺。在制定焊接工艺时，焊接方法的确定、焊接材料的选择和焊接工艺参数的确定，应严格按照国家和行业工艺标准，做好各环节的质量控制。焊后热处理是焊接过程中最重要的一步，也是消除焊接应力的重要手段，因此有必要选择合适的焊后热处理方法，做好质量控制。