压力容器设计制造中的热处理问题分析

曹志峰

东营市特种设备检验所 山东东营 257091

压力容器是承载了一定压力的密闭设备，起到储存、分离、交换介质以满足用户使用需求的作用。按照压力容器的制造工艺、容器承压等级、承装介质的危害程度有着多种分类方法。企业为满足生产工艺的要求，选用、购置了不同类别的压力容器。压力容器是大部分工业企业不能缺少的重要设备，与企业的生产息息相关。压力容器存在潜在的安全风险，存在压力容器的企业管理中，对压力容器的使用、维护和管理都具有一定的难度，任何情况下，都不可能完全避免压力容器潜在的安全事故发生，只有通过科学的管理方法，减少压力容器发生事故的概率，保护人民群众的生命财产安全，减少企业的经济损失。

1 热处理技术以及压力容器热处理的重要性

当今石化行业已成为我国经济发展的支柱产业，石化行业中有许多高温高压反应的生产工艺，压力容器在其中得到了广泛应用。压力容器作为承载受压器件，内部工艺介质多为高压、高温和具有腐蚀性的气体或液体。运行必须可靠和安全，压力容器一旦失效损毁，其破坏力和泄露的介质将产生可怕的后果。压力容器的可靠性与制造用的钢材有着重要的关系。在进行压力容器设计选材时，不仅要考虑其强度、韧性、塑性和耐腐蚀性，也要考虑加工焊接性能等。正确选材和采用合理热处理方式，能保证压力容器安全运行。热处理是通过在固态范围内对金属进行加热、保温和冷却的方法，改变金属内部组织结构，改善金属性能的工艺。多数金属材料在加热、保温和冷却时内部组织结构会发生变化，从而引起性能的变化[1]。

2 压力容器设计制造中的热处理问题

2.1 不锈钢及其热处理

不锈钢作为压力容器设计制造常用材料，具有耐腐蚀的优点。目前，将含Cr量大于10.5%且具有不锈性和耐酸性能的一系列铁基合金定义为不锈钢。不锈钢的分类方法很多，目前常用的是按照钢的组织状态分类，即马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体—铁素体双相不锈钢、沉淀硬化不锈钢五类，压力容器设计制造中常用到下面三种不锈钢。①铁素体不锈钢铁素体不锈钢的成分特点是高铬低碳，组织为单相铁素体。铁素体不锈钢在退火或正火状态下使用，强度较低、塑性很好。主要应用于对耐蚀性要求高而强度不高的工况，例如化工设备、容器和管道等。铁素体不锈钢在加热冷却过程中不发生相变，因而不能进行热处理强化，可通过加入Ti、Nb等强碳化物形成元素或经冷塑性变形及再结晶来细化晶粒。这类钢广泛应用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。②奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢的成分特点是低碳高铬镍，C含量大多在0.10%以下，组织为单相奥氏体。奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性、冷热加工性及焊接性，高的韧性和塑性。典型钢号如Cr18Ni9型（即18-8型不锈钢），钢中常加入Ti或Nb以防止晶间腐蚀。其强度、硬度很低，塑性、韧性和耐蚀性均较马氏体型不锈钢更好。奥氏体不锈钢较适宜作冷成型，其焊接性能也较好。与马氏体型不锈钢比较，其机械加工（如切削）性能较差，当碳化物在晶界析出时，还会产生晶间腐蚀现象，应力腐蚀倾向也较大。奥氏体不锈钢常用的热处理为固溶处理，即加热到920℃～1150℃使碳化物溶解后水冷，获得单相奥氏体组织。对于含Ti或Nb的钢，在固溶处理后还要进行稳定化处理，即加热到850℃～880℃，使钢中Cr的碳化物完全溶解，而Ti或Nh的碳化物不完全溶解，然后缓慢冷却，使TiC充分析出，以防止发生晶间腐蚀[2]。

2.2 铁素体—奥氏体双相不锈钢

铁素体—奥氏体双相不锈钢是指金相组织由铁素体和奥氏体两相组成的不锈钢，其固溶组织中铁素体和奥氏体各占一半，一般较少相的含量至少在30%以上。这类钢提高了Cr含量或加入其它铁素体形成元素，其晶间腐蚀和应力腐蚀破坏倾向较小，强度、韧性和焊接性能较好。铁素体—奥氏体双相不锈钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特性，与铁素体不锈钢相比，它的韧性高、脆性转变温度低、耐晶间腐蚀和焊接性能显著提高，但仍能保留470℃脆性、σ相脆性等。与奥氏体不锈钢相比，其强度水平高，其屈服强度是奥氏体不锈钢的2倍，此外耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀破裂、耐腐蚀疲劳性能显著提高。因为具有以上特点，铁素体—奥氏体双相不锈钢的应用场景更加广泛。

3 防范压力容器设备安全风险的主要措施

3.1 严格控制压力容器设备的质量

压力容器属于企业的大件设备、重要设备，质量容不得一点马虎。企业立项过后，在压力容器的设计标准和设备的制造商上就应当下功夫，从压力容器的图纸设计、技术标准到企业生产工艺等，都严格把控，设备制造厂家应有详细的生产工艺流程、材料标准，这些在设备生产之前，企业与制造商必须有详细的沟通。原材料的来源，材料使用过程中的质量控制、流程管理等都是设备质量的重要保障，如生产工艺中的焊接，不同的工艺水平会对设备产生重大影响，这都是对制造商的具体要求。对设备的使用环境、使用年限和使用规范都是保证压力容器设备质量能够得到保证的组成部分，在与设备制造商的沟通过程中都必须明确[3]。

3.2 及时处理容器腐蚀问题

压力容器的腐蚀问题是一个常见且麻烦的问题，形成的原因主要有化学介质的问题，会导致压力容器壁变得很薄，产生裂纹导致事故发生，因此，使用过程中，即使使用超声波测厚仪、干分表等仪器对压力容器器壁的腐蚀程度进行检测分析，并进行详细记录，形成完整的检测数据，掌握容器被腐蚀情况实时数据以及变化数据，根据分析情况决定是否采取干预措施，在这个过程中，对于压力容器设备的附件进行经常性的维护和检测，减少安全事故发生的可能性。现代化的技术为数据采集和传输提供了极大的便利，设备实时运营数据不断传输到计算机形成数据库，能够有效监测压力容器是否被腐蚀以及腐蚀程度，通过前期的预案采取相应措施。

3.3 严格执行日常管理规范

压力容器在使用过程中，环境和设备的特殊性，对操作者本身就有一定的风险，为了尽可能避免安全事故发生概率，压力容器使用单位应当根据压力容器本身的特点和本身操作规程要求，制定详细的安全规章管理制度，选择符合要求并具有相应资质的操作人员，对他们开展使用培训，并进行严格的考核，让他们具备强烈的安全意识，提升操作人员本身的素质，减少事故的发生。

3.4 规范压力容器的操作流程

规范的压力容器操作流程能够减少设备损耗，降低安全事故发生。操作规范主要是针对人员来说的，一方面要加强操作人员培训，使他们形成规范操作意识，严格规范操作纪律，熟练掌握设备操作中的任何环节；另一方面，采用现代化技术，梳理设备操作流程，加强技术性监督，确保人员能够严格遵守设备操作流程，对操作流程中出现的任何问题及时处理并上报，形成操作日志或数据。

3.5 材料的合理使用

经济材料的使用是十分重要的一个环节，钢板也是压力容器最重要的部分。如今社会上广泛使用的钢板主要分为碳钢板和复合钢板、高合金钢板等，在对钢板材料进行选择时，有必要结合实际应用等多因素进行考虑。对所选材料进行全面的评估，有必要考虑所选材料的实用性，另外，了解材料的相应特性比如选择耐腐蚀材料等。另外，还要选择具有更高的强度和更好的可焊接性的材料。这样能够在后期更好地使用焊接机等设备对材料进行加工。除此之外，还要对机械加工的特点以及制作工艺进行综合考量，选择相对合适的材料，使得材料能够在加工后更好地进行应用，还有利于后期设备的维护与修理，在选择材料时，也要注意材料的经济性。

3.6 数据设计的审核工作

对于压力容器设计的工作，较为重要的便是确保各项数据的准确性，包括设计的温度以及设计的压力等等，通过相应的数据得出压力容器的设计强度以及刚度等情况，这是压力容器的稳定性以及承受能力的重要指标。另外，还要注意压力容器内部的一些元件的物理与化学特性，这是压力容器设计的重要部分，对其结构设计以及数据的监测有着直接的影响，并且会对压力容器应用过程中的各项数据产生一定的影响。

4 结语

压力容器作为工业生产的常用设备，压力容器的安全性和稳定性对行业生产效率有着直接影响，不管是任何形式的危险，都可能对工业生产造成严重的破坏。为了进行更加稳定高效地生产发展，压力容器的热处理必须落实到位，相关人员仔细区分金属材料性质，选择最佳处理方案，实现压力容器应用的最大效果，有效保障压力容器在各种工作环境下使用的安全性。