论大型压力容器焊后热处理工艺

摘要：本文详细的阐述大型压力容器现场焊后热处理特点及方法，并对热处理方法做了详细的说明

关键词：压力容器 焊接应力 焊后热处理

中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：

压力容器焊后热处理是压力容器制造过程中最后阶段关键工艺。焊后热处理质量直接影响到压力容器的整体内在质量。与焊缝缺陷不同，焊后热处理不能返工，热处理耗时长，耗资也大，要求压力容器整体焊后热处理一次成功。焊后热处理的效果，是由焊后热处理工艺来保证的，检查焊后热处理的部分结果可通过检验焊后热处理试板来答到。对于大型压力容器现场焊后热处理来说，焊后热处理试板代表性常受到质疑，焊后热处理消除残余应力效果难以准确检测。因此，严格执行焊后热处理工艺，是确保焊后热处理效果的关键。下面重点对压力容器焊后热处理进行分析。

焊接应力的产生、特点

1.1焊接应力的产生

压力容器焊接是局部快速加热至高温后又快速冷却的过程，焊接接头区与母材间存在较高的温度变化，加热时，高温金属的热膨胀受到周围冷态金属的拘束，产生了热应力，冷却时，焊接接头金属受周围冷态金属的约束而无法自由收缩，从而形成了残余应力，可见焊接应力是因为焊接接头区与周边部位变形不协调而产生的。

1.2焊接应力的特点

焊接应力的特点是在某些情况下量值可能很大，接近、达到甚至超过材料的屈服极限，这一点已为大量的焊接应力实测结果所证实。焊接应力在压力容器应力分类中属于二次应力，具有自限性，它对压力容器强度的危害，小于因介质压力产生的一次应力。

焊后热处理的目的

焊后热处理是将焊缝全部或局部均匀加热到规范规定的温度并保持一定的时间，并按规范控制升温和冷却的速度，以减少升温和冷却产生的温度变化。焊后热处理的目的大致归纳如下：

（1）松弛焊接残余应力。

（2）稳定结构的形式和尺寸，减少变形。

（3）改善母材、焊接区的性能，包括：①提高焊接接头金属的塑性；②降低热影响区硬度；③提高断裂韧性；④改善疲劳强度；⑤恢复或提高冷成形中降低的屈服强度。

（4）提高抗应力腐蚀的能力。

（5）进一步释放焊接接头金属中的有害气体，尤其是氢，防止延迟裂纹的产生。

（6）有些压力容器对安全性能有较高的要求（如盛装极度或高度危害介质），进行焊后热处理可以提高其安全裕度。焊后热处理具有多种作用，有时可以与消氢出来、恢复及改善性能热处理合并进行，可以消除封头、筒体等零部件冷成形及中温成形后的残余应力。

3.焊后热处理的方法

国内大型压力容器（以球罐为典型代表）进行焊后热处理加热方法基本有3种：远红外线电加热器加热法，霍克喷嘴燃油加热法及近年推出的增压旋转反射燃油加热法。目前国内大部分球罐焊后热处理采用的是霍克喷嘴燃油加热法，霍克喷嘴具有9个拉伐尔管状风油喷出口，喷出雾化油雾。单靠喷嘴出的雾化风不足以使燃油充分燃烧，还要从下人孔吸入自然风作为助燃风。霍克喷嘴正常工作后火焰燃烧的燃气，在球罐内向上流动的速度逐渐减慢，上部的静压头比下部高，从而形成燃烧产物的回转气流，这样在火焰不直接接触球壁的情况下，使燃烧气流充满球内加热球罐。例如东营市齐润化工有限公司，2012年建的2台2000m3液化气球罐，用厚度为44mm的Q345R钢压制组装而成的。设计要求焊后热处理规范为600℃±25℃，采用霍克喷嘴燃油加热法，在热处理期间采用每35巡回检测一点，约2分钟巡检一遍的速度控制着整个升温、保温、降温的全过程。

4.焊后热处理的必要性

压力容器有无焊后热处理的必要，在设计上应加以明确规定，现行的压力容器设计规范对此有要求

焊制的压力容器，焊接区存在着较大的残余应力，而残余应力的不利影响，在一定的条件下才表现出来。当残余应力与焊接接头中的氢相结合时，将促使热影响区硬化，导致冷裂纹和延迟裂纹的产生。残存在焊接接头中静应力或负载运行中的动载应力与介质的腐蚀作用相结合时，将有可能引起裂纹状腐蚀，即所谓应力腐蚀。焊接残余应力及由焊接引起的母材淬硬是产生硬力腐蚀裂纹的重要因素。研究结果表明，变形和残余应力对金属材料的主要影响，在于使金属从均匀腐蚀转变为局部腐蚀，即转变为晶间或穿晶腐蚀。当然，金属腐蚀破裂和晶间腐蚀均出现在对该种金属具有一定特性的介质中。

在残余应力纯在的情况下，根据侵蚀性介质的成分、组织、表面状态、应力状态等纯在的差异而有所不同，从而，使腐蚀破坏的性质可能改变。

焊接的压力容器是否需要做焊后热处理，应从容器的用途，尺寸（特别是板材厚度），所用材料的性能以及工作条件等方面综合考虑决定。有下列情况之一的，应考虑焊后热处理:

使用条件苛刻，如在低温下工作有发生脆性断裂危险的厚壁容器，承受较大荷载和交变载荷的容器。

厚度超过一定限度的焊制压力容器。包括锅炉﹑石油化工压力容器等有关规程好玩规范所规定的。

对尺寸稳定性要求较高的压力容器。

有淬硬倾向大的钢材制造的容器。

有应力腐蚀开裂危险的压力容器。

其他有专门规程、规范、以及图样予以规定的压力容器。

在钢制焊接压力容器中，在靠近焊接接头的区域内形成达到屈服点的残余应力。这种应力的产生与伴有奥氏体的组织转变有关。许多研究者指出，为了消除焊后的残余应力，650℃的回火对钢制焊接压力容器能产生良好的影响。同时认为，如果在焊后不进行适当的热处理，就始终不能得到耐腐蚀的焊接接头。

一般认为，焊后消除应力热处理属于焊接工作被加热到500-650℃而后再缓慢冷却的过程。应力的降低起因于高温下的蠕变，在碳钢中从450℃开始出现。温度越高，应力越易于消除。但是一旦超过钢材的原始回火温度，钢的强度便要降低。所以消除应力的热处理一定要掌握好温度和事件两个要素，缺一不可。

另外，对于调质钢的焊后用热处理温度，应以不超过钢材的原回火温度为原则，一般比钢材原回火温度低30℃左右，否则材料就会失去调质效果，强度和韧性就会降低。这一点应予以特别关注。

5.焊后热处理综合效果的考虑

焊后热处理并非是绝对有利的。一般情况下，焊后热处理有利于缓和残余应力，并对应力腐蚀有严格要求的情况下才进行。但是，试件的冲击韧性试验表明，焊后热处理对熔敷金属和焊接热影响区的韧性提高不利，有时在焊接热影响区的晶粒粗化范围内还可能发生晶间开裂。另外，焊后热处理是依靠在高温下材料强度的降低消除应力的，因此，在焊后热处理时，结构有可能丢失刚性，对于采取整体或局部焊后热处理的结构，热处理前，必须考虑焊件在高温下的支承能力。所以，在考虑是否进行焊后热处理时，应将热处理的有利和不利两个方面综合比较。从结构性能上来看，有使性能提高的一面，也有使性能降低的一面，应在综合考虑两方面的基础工作上做出合理的判断。