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壓力容器熱處理的幾個問題

文檔作者：姜彥鋒文檔來源：中國石油遼陽石化機械廠		點擊數：	更新時間： 2021年03月01日
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一
26一 ■技術交流 2石0油10與年化第工設備
13卷
壓力容器熱處理的幾個問題
姜彥鋒
(中國石油遼陽石化機械廠，遼寧遼陽11 1003)
[摘 要]針對壓力容器制造中涉及到的幾種常見熱處理形式，分別明確其對象和作用，避免將針對原材料或零部件的熱
處理與壓力容器產品的最終熱處理相混同，以確保達到設計要求的材料性能。
[關鍵詞]熱處理；正火； 固溶；穩(wěn)定化；調質
1問題的提出
金屬熱處理工藝學和其他自然科學一樣，是
伴隨著生產力的發(fā)展而發(fā)展的，并和其他科學技
術的發(fā)展緊密相關。熱處理工藝是古代冶金技術
發(fā)展的結果，作為冶金技術的一部分，逐漸發(fā)展
形成一門科學。近年來我廠時常遇到一些問題：
在制造過程中，將本應針對且只能針對零部件的
預備熱處理與產品的最終熱處理混合使用，分辨
不清，造成了材料的組織和性能與原設計要求不
符。具體體現在對碳鋼和低合金鋼制造的壓力容
器淬火(加回火)、正火(加回火)兩種情況；
及對奧氏體不銹鋼固溶(加穩(wěn)定化處理)處理情
況。
GB150—1998《鋼制壓力容器》4．2．4中指出：
“對容器制造過程中需要進行熱處理的碳素鋼和
低合金鋼鋼板，鋼廠的交貨狀態(tài)可不用表4—1(鋼
板的鋼號、標準、使用狀態(tài)及在一系列溫度下的
許用應力)中的使用狀態(tài)”[1】。ASMEⅧ ．1 UG一85
中對此也強調，應有資料證明相應鋼材規(guī)范要求
的熱處理已經進行并檢驗合格 】。制造是依據設計
進行的材料加工，確保材料使用狀態(tài)符合設計要
求是制造的基本要求。因此，應當明確熱處理的
目的與作用及其相應關系。
2問題分析
熱處理按工藝一般分為最終熱處理和預先熱處
理兩類。最終熱處理的目的是使零件或產品達到設
計使用的性能要求，而預先熱處理的目的則是消除
或改善前工序引起的缺陷，為后續(xù)工作做好性能與
組織準備。同一種熱處理方式在作用于不同的對象
時，分別稱為最終熱處理和預先熱處理。例如：當
焊后熱處理只針對零部件使用時，它就是預先熱處
理：而針對整臺產品使用時，則為最終熱處理。下
面是幾種最常用的熱處理形式：
2．1焊后熱處理
2．1．1焊后去應力熱處理。利用金屬在高溫下屈服強
度的降低， 使應力高的地方產生塑性流變， 從而達
到消除焊接殘余應力的一種熱處理，屬去應力退火
(低溫退火)。對碳鋼和低合金鋼制壓力容器是將
產品緩慢加熱到500～650℃ ， 保溫一定時間，然后隨
爐均勻冷卻。應力是彈性體晶格對變形的響應。焊
后熱處理可以起到：
① 改善焊接接頭的塑性和韌性，提高抗應力
腐蝕能力；
② 消除焊接接頭中的內應力和冷作硬化，提
高接頭抗脆斷能力；
③ 穩(wěn)定焊接構件形狀，避免在焊后機加工和
使用過程中的變形；
④促使焊縫中的氫向外擴散；
⑤ 有些壓力容器對安全性能有較高的要求
(如盛裝極度或高度危害介質)，進行焊后熱處
理可以提高其安全裕度。
焊后熱處理具有多種作用， 有時可以與消氫
處理、恢復及改善性能熱處理合并進行?？梢韵?
除封頭、筒體等零部件冷成形及中溫成形后的殘
余應力。
2．1．2消氫處理。焊后立即將焊接件加熱到較高
溫度，提高氫在鋼中的擴散能力，使焊縫金屬中
過飽和狀態(tài)的氫原子加速擴散逸出， 以降低容器
產生延遲裂紋可能性的一種熱處理。通常加熱到
200～35O℃ ，保溫時間與焊接接頭厚度有關，一般
應不少于0．5 h。需要消氫處理的容器，如在焊后隨即
進行焊后消除應力熱處理，可免做焊后消氫處理，
但要控制在16~24 h以內。
作者簡介：姜彥鋒(1 982一)，男，黑龍江五常人，本科學
歷，助理工程師，中國石油遼陽石化分公司機械廠技術員。
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第9期 姜彥鋒壓力容器熱處理的幾個問題 一27一
并不是所有金屬材料焊接時都會產生延遲裂
紋。延遲裂紋的產生與材料的強度級別和化學成
分有關，只有強度級別較高的低合金鋼才可能發(fā)
生這一現象。一般需要進行消氫處理的壓力容器
需要進行焊后熱處理，而需要焊后熱處理的設備
不一定都需要消氫處理。
消氫處理在GB／T7232—1999《金屬熱處理工藝
術語》中被稱為：脫氫處理，即在工件組織不發(fā)
生變化的條件下，通過低溫加熱、保溫，使工件
內的氫向外擴散進入大氣中的退火【 。
2．2正火
正火是工業(yè)上常用的熱處理工藝之一。正火
既可作為預備熱處理工藝， 為下續(xù)熱處理工藝提
供適宜的組織狀態(tài)，例如為過共析鋼的球化退火
提供細片狀珠光體， 消除網狀碳化物等；也可作
為最終熱處理工藝，提供合適的機械性能，例如
碳素結構鋼零件的正火處理等。此外，正火處理
也常用來消除某些處理缺陷。例如，消除粗大鐵
素體塊，消除魏氏組織等。一般正火加熱溫度為
AC3+ (30～50℃)，保溫一定時間r_一般正火保溫
時間以工件燒透(即心部達到要求的加熱溫度)為
準]，使奧氏體均勻化，然后出爐在空氣中或以其
他適當方式冷卻。必須指出，正火是為了獲得細珠
光體組織，對于某些合金鋼，空氣冷卻已超過其臨
界冷卻速度，從而發(fā)生了貝氏體或馬氏體轉變，這
時的“空氣冷卻” 已屬于淬火而非正火了。
在實際生產中，正火加熱溫度常常略高于上
述溫度。提高加熱溫度能夠促進奧氏體均勻化，
增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性。在常用鋼材的正火加
熱溫度中，如果正火作為預先熱處理，宜取上限
溫度，這樣有利于組織均勻化；如果正火作為最
終熱處理，則取下限溫度，可得到較細小的奧氏
體晶粒。
2-3固溶處理
固溶處理是將奧氏體不銹鋼加熱到
1010～1 120℃左右(具體溫度視鋼種而異)，經
適當保溫使碳化物盡量溶入奧氏體基體，然后快
速冷卻至室溫使碳化物來不及析出呈過飽和狀態(tài)
固溶在基體中， 以獲得單相奧氏體組織的一種熱
處理。固溶處理是為了獲得適宜的晶粒度， 以保
證合金高溫抗蠕變性能。奧氏體不銹鋼的正常交
貨狀態(tài)是固溶狀態(tài)。在壓力容器中， 固溶處理可
以起到的作用有：
① 對于非超低碳奧氏體不銹鋼， 固溶處理是
防止晶間腐蝕的重要手段；
② 對于經熱成形的受壓元件可采用固溶處理
達到恢復原有性能的目的；
③ 對于冷成形或使用工況改變了其奧氏體組織
狀況的，可根據實際情況通過固溶處理予以恢復。
例如，冷成形的奧氏體不銹鋼受壓元件在設計溫度
處于敏化溫度范圍并且加工變形率超過某一限度
時，應進行成形后的熱處理。ASMEⅧ 一1 UHA-44規(guī)
定：對于304型和3 l 6型奧氏體不銹鋼受壓元件，當
設計溫度在580～675℃ 的范圍內，且加工變形率超
過20％時；或設計溫度超過675℃，且加工變形率超
過10％時，應在冷成形后進行熱處理『4】。再如，奧
氏體不銹鋼受壓元件在深冷工況使用時，可以采
用冷成形后進行固溶處理的方式恢復低溫韌性。
2．4穩(wěn)定化處理
穩(wěn)定化處理： 為使工件在長期服役的條件
下形狀和尺寸變化能夠保持在規(guī)定范圍內的熱處
理。根據崔克清主編的《安全工程大辭典》，穩(wěn)
定化處理是含鈦或含鈮的奧氏體不銹鋼的一種提
高抗晶問腐蝕能力的熱處理方法。在奧氏體不銹
鋼冶煉時加入數倍于含碳量的鈦或鈮元素，可在
形成Cr ，C 之前優(yōu)先形成鈦或鈮的碳化物，這些
碳化物幾乎不固溶于奧氏體中。當焊接作業(yè)從高
溫冷卻時， 即使經過易析出Cr C 的敏化溫度區(qū)
間(850~450℃)時也不會沿晶界大量析出Cr2，C ，
從而大大提高了抗晶間腐蝕的能力。為了使鋼達
到最大的穩(wěn)定度，還應作穩(wěn)定化處理，將構件加
熱至900℃ 使Cr： C 充分溶解到奧氏體中，而此時
讓鈦和鈮充分形成非常穩(wěn)定的碳化鈦和碳化鈮，
然后在空氣中冷卻，即使經過敏化溫度時，也無
cr ，c 在晶界析出。經穩(wěn)定化處理后的奧氏體不銹
鋼可大大降低晶問腐蝕的可能性。
穩(wěn)定化處理只適用于在晶間腐蝕環(huán)境下選用
含穩(wěn)定化元素(Ti或Nb)奧氏體不銹鋼的場合。
壓力容器制造中可以單獨進行穩(wěn)定化處理，考慮
到奧氏體不銹鋼的正常交貨狀態(tài)是固溶狀態(tài)，所
以穩(wěn)定化處理是固溶處理后的追加熱處理。
穩(wěn)定化處理在GB／T7232—1999《金屬熱處理工
藝術語》中被稱為：穩(wěn)定化退火， 即為使工件中微
細的顯微組成物沉淀或球化的退火口】。例如某些奧
氏體不銹鋼在850℃ 附近進行穩(wěn)定化退火，沉淀出
TiC、NbC、TaC，防止耐晶問腐蝕性能降低。
2．5調質處理
調質處理：淬火后高溫回火的熱處理方法稱
為調質處理。高溫回火是指在500—650~C之間進行
回火。調質可以使鋼的性能、材質得到很大程度
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．
28一 ■ 技術交流 2石0油與化工設備
10年第13卷
的調整，其強度、塑性和韌性都較好，具有良好的
綜合機械性能。調質處理后得到回火索氏體?；鼗?
索氏體(tempered sorbite)是馬氏體于回火時形成
的，在光學金相顯微鏡下放大500~600倍以上才能
分辨出來，其為鐵素體基體內分布著碳化物(包括
滲碳體)球粒的復合組織。它也是馬氏體的一種回
火組織，是鐵素體與粒狀碳化物的混合物。此時的
鐵素體己基本無碳的過飽和度，碳化物也為穩(wěn)定型
碳化物，常溫下是一種平衡組織。
調質常應用在中碳(低合金)結構鋼， 也
用在低合金鑄鋼中?？傊W要求高的結構零部
件都要進行調質處理。調質處理的目的是使鋼件
有很高的韌性和足夠的強度，具有綜合的優(yōu)良機
械性能。例如高壓緊固件和地腳螺栓通常采用的
40MnB、35CrMoA等合金鋼通過調質處理才能達
到要求的力學性能。
針對我廠生產實際情況，鋼材在熱加工后可
能會改變鋼材的供貨狀態(tài)，可根據設計要求的鋼
材使用狀態(tài)對熱加工后的受壓元件進行必要的熱
處理。
① 熱軋狀態(tài)使用的鋼材， 熱加工后的受壓元
件一般可不重新進行熱處理；
② 正火狀態(tài)使用的鋼材， 熱加工后需重新進
行正火處理。如果熱加工時的加熱溫度與鋼材的
正火溫度相當， 且隨爐的熱加工工藝試板經評定
合格，可不重新進行正火熱處理；
③ 正火加回火使用狀態(tài)的鋼材，熱加工后需
重新進行正火加回火處理。如果熱加工時的加熱
溫度與鋼材的正火溫度相當，且隨爐的熱加工工
藝試板經正火處理后評定合格，則該受壓元件熱
加工后可僅作回火處理；
④ 調質狀態(tài)使用的鋼材， 受壓元件熱加工后
應重新進行調質處理；
⑤ 奧氏體不銹鋼的熱加工受壓元件應控制熱
加工終了溫度在850℃ 以上，加熱后應快冷。如有
晶問腐蝕試驗要求，熱加工后應對受壓元件本身
或熱加工工藝試板進行試驗評定，若試驗結果不
合格，則應進行固溶處理(加穩(wěn)定化熱處理)。
熱處理是使金屬材料升溫、保溫然后冷卻的
過程，應當從本質上把握加熱溫度、升溫速度、
保溫時間和冷卻速度對性能的影響。淬火(加回
火)、正火(加回火)、固溶處理(加穩(wěn)定化處
理)有一個共同特點，就是在加熱到要求的溫度
后， 經過一段時間的保溫后要快速冷卻， 以實現
改善鋼材微觀組織及使其組織均勻性的目的。而
壓力容器因具有密閉空間難以實現快速冷卻。需
要采用上述材料狀態(tài)制造的往往是重要的壓力容
器， 確保設計文件要求的鋼材供貨狀態(tài)不被破壞
顯得尤為重要。
3問題的解決
(1)如受壓元件在加工過程中有可能改變了
材料的組織狀態(tài)和力學性能，則在加工后應進行
必要的熱處理恢復其供貨狀態(tài)；
(2)對設計部門而言，選材需要綜合考慮制
造對其性能的不利影響因素， 以使材料最終使用
狀態(tài)符合設計選材需要；
(3)無論是“預先熱處理”還是“最終熱
處理” ， 都是金屬的熱處理工藝在實際生產中的
一種表述。重要的不是概念的表述，而是明確內
涵，搞清楚概念所對應的熱處理對象。
◆參考文獻
[1】GB150．1998，鋼制壓力容器fs1．
『21 ASⅧ Ⅷ一l UG-85[S]．
[3]GB廠r7232．1999，金屬熱處理工藝術語【S1．
『41 AS MEⅧ ．1 U隊44rS1．
[5 】GBI51．1999，管殼式換熱器fs1．
【6]TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程fs】

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