热处理技术在石油压力容器及管件中的应用

刘明生　张帅

摘要：热处理是决定产品性能、寿命和可靠性的关键，热处理水平是制造业竞争力的核心要素.在阐述金属材料常见的热处理方法的基础上，重点对热处理技术在压力容器和管件的主要运用进行了相关分析，指出了对于金属结构件实施合理的热处理是挖掘材料性能潜力、提高产品性能的重要加工技术手段。

关键词：热处理技术；石油工业；压力容器；管件

中图分类号：TG156 文献标识码：B

引言

当今社会，金属材料的应用十分广泛。在装备制造、建筑、石油、化工以及冶金等行业都得到了广泛的应用。随着科学技术的发展，人们对金属材料的性能要求越来越高。为此，对金属材料进行适当的热处理，以提高其使用性能和工艺性能就显得尤其重要。

我厂主要从事压力容器及其它非标设备制造、长输管道施工以及各种大小口径热煨弯管的生产。在这些设备和零部件的加工过程中，由于各种不同的加工工艺如铸造、切削加工、焊接、装配等都会产生不同程度的残余应力，构件中的残余应力大多数表现出很大的危害作用；如使构件的强度降低、降低工件疲劳极限、造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使构件产生变形，影响了构件的尺寸精度；而且钢从热变形加工冷却下来时，由于溶解在钢中的氢析出而导致内部开裂。这对于工件、设备的加工和使用来说都是致命的危害，解决这些问题方便有效的办法就是热处理，所以做好热处理工作对于我厂的整个生产发展也是相当重要的。

1 石油压力容器及管件应具备的主要性能

金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两方面。

（1）使用性能。是保证工件的正常工作应具备的性能，主要包括力学性能、物理性能、化学性能等。

（2）工艺性能。是材料在被加工过程中适应各种冷热加工的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。金属材料的工艺性能不是一成不变的，可以通过改进工艺规程、选用合适的热处理方法等措施来改善。

2 金属材料常用的热处理方法

热处理按用途可分为中间热处理和最终热处理。中间热处理目的是改善材料工艺性能，方便加工。最终热处理的目的是使产品获得所需要的使用性能。热处理按性质一般可分为3大类，即普通热处理、形变热处理和化学热处理。普通热处理只改变组织结构而不改变材料的成分；形变热处理也不改变材料的成分，它把形变强化和热处理强化结合起来以获得更好的性能；化学热处理既改变材料的成分也改变材料的组织结构。

热处理是一种重要的成型加工手段，它不仅能够方便加工，降低生产成本，充分发挥材料性能潜力，甚至是有些产品成型的必不可少的手段。为获得好的工艺性能而实施的中间热处理一般安排在加工过程中实施。为获得好的使用性能而实施的最终热处理一般安排在加工过程最后工序实施。

金属材料对热处理工艺的适应性称为热处理性能，它包括淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向等，而有些金属材料没有固态相变，热处理不能强化。

2.1退火

退火目的是消除材料的内应力，降低硬度，提高塑性，细化组织，均匀化学成分，以利于冲压、折弯、拉伸或切削、磨、镗以及热处理等加工，并为最终热处理做好组织淮备。根据退火时处理组织结构的变化，退火常分为完全退火、球化退火、再结晶退火、去应力退火和扩散退火等。

1）完全退火。主要用于冷压力加工前调整塑性，适用于亚共析钢及其合金钢，但不能用于过共析钢。

2）球化退火。主要目的是消除材料的内应力、降低硬度、提高塑性、细化组织、均匀化学成分，另外，还可使渗碳体呈球状，以改善切削加工性，并为以后的淬火作好组织上的准备。球化退火的关键在于加热温度不能过高。钢件在球化退火前应作金相组织检查，若原始组织上存在严重的渗碳体，应采用正火工艺将其消除后才能进行球化退火。

3）再结晶退火。主要用于消除加工硬化现象和恢复材料的塑性。再结晶退火温度一般为650～6800C。

4）去应力退火。主要目的是消除铸、锻件和焊接件的残余内应力，降低硬度，改善切削加工性能。去应力退火温度控制在550～6500C，对于厚大的焊接件，视工件的最大厚度计算，最高加热温度可以达到7000C。

5）扩散退火。主要用于消除化学成分的不均匀性。是一种耗时长、费用高的热处理操作，一般只用于处理优质钢、铸锭或铸件。

2.2正火

正火的效果同退火相似，其主要作用有：

1）对于低碳钢，正火代替退火，改善切削加工性能。

2）对于过共析钢，消除网状碳化物为球化退火作准备。作为中碳钢、合金钢淬火前的热处理，以减少淬火缺陷；

3）对于淬火返修件，消除内应力和细化组织，以防重淬火时产生变形与裂纹。

4）对于大型、重型及形状复杂零件或性能要求不高的普通结构零件作为最后热处理，以提高力学性能。

2.3淬火

淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却的一种热处理工艺。目的是为了获得Ms组织，以提高强度和硬度。由于淬火时，马氏体转变属于非扩散型转变，对于Mz点在室温以下的钢，将有一部分A'，为此需要进行冷处理以消除或减少A'组织。

2.4回火

其主要目的是消除或减小零件的淬火应力，适当降低硬度，以获得高的综合力学性能，稳定组织，改善切削性能。按照回火温度的不同分为：低温回火、中温回火和高温回火。其中调质处理就是淬火+高温回火。钢经调质处理后，钢的硬度较低，便于切削加工达到较好的表面质量。中碳钢常用调质处理改善切削性能。调质处理也可作为表面淬火和化学热处理的预备热处理。

3 热处理在压力容器和管件的主要运用

3.1焊前预热

焊前预热和焊后回火是改善金属材料焊接性能的重要手段，马氏体型不锈钢具有强烈的淬硬和冷裂倾向，含碳越高越敏感，焊前预热是防止其产生裂纹的有效措施，重要构件的焊接、合金钢的焊接及厚部件的焊接，都要求在焊前必须预热。

1）预热能减缓焊后的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹。同时也减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高了焊接接头的抗裂性。

2）预热可降低焊接应力。

3）预热可以降低焊接结构的拘束度，对降低角接接头的拘束度尤为明显，随着预热温度的提高，裂纹发生率下降。

3.2焊后热处理

焊后热处理的目的有三个：除氢、消除焊接应力、改善焊缝组织和综合性能。

1） 焊后除氢处理。是指在焊接完成以后，焊缝尚未冷却至100℃以下时，进行的低温热处理。焊后除氢处理的主要作用是加快焊缝及热影响区中氢的逸出，对于防止低合金钢焊接时产生焊接裂纹的效果极为显著。

2）去应力热处理。在焊接过程中，由于加热和冷却的不均匀性，以及构件本身产生拘束或外加拘束，在焊接工作结束后，在构件中总会产生焊接应力。焊接应力在构件中的存在，会降低焊接接头区的实际承载能力，产生塑性变形，严重时，还会导致构件的破坏。

去应力热处理是使焊好的工件在高温状态下，其屈服强度下降，来达到松弛焊接应力的目的。常用的方法有两种：一是整体高温回火，即把焊件整体放入加热炉内，缓慢加热到一定温度，然后保温一段时间，最后在空气中或炉内冷却。用这种方法可以消除80%-90%的焊接应力。另一种方法是局部高温回火，即只对焊缝及其附近区域进行加热，然后缓慢冷却，降低焊接应力的峰值，使应力分布比较平缓，起到部分消除焊接应力的目的。

3）有些合金钢材料在焊接以后，其焊接接头会出现淬硬组织，使材料的机械性能变坏。此外，这种淬硬组织在焊接应力及氢的作用下，可能导致接头的破坏。如果经过热处理以后，接头的金相组织得到改善，提高了焊接接头的塑性、韧性，从而改善了焊接接头的综合机械性能。

3.3化学热处理

4 结语

2）热处理可以改善材料工艺性能，它也是焊接、表面处理的重要工序之一。根据产品的结构和材料性能特点，以及最佳的成型工序，运用适当的热处理获得某种最佳的工艺性能，可以节省加工成本，提高加工质量，达到事半功倍的效果。

3）在设计热处理工艺时，应注意材料性能和热处理过程的特点，防止热处理本身带来的问题，消除加工过程中的质量隐患。

参考文献

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作者简介：

刘明生（1966-），男，重庆市人，副教授/工程师，主要研究方向：机电一体化技术与材料成型控制。