0引言
在设计过程中压力容器会存在一些不可避免的问题：过度的冷加工工艺如冷矫形、冷卷等导致压力容器冷作硬化。焊接导致压力容器焊缝区性能和组织。焊接产生的残余应力及相关应力导致腐蚀裂纹。
1压力容器设计过程中的问题
在设计过程中压力容器会存在一些不可避免的问题：过度的冷加工工艺如冷矫形、冷卷等导致压力容器冷作硬化。焊接导致压力容器焊缝区性能和组织。焊接产生的残余应力及相关应力导致腐蚀裂纹。压力容器在焊接工序中，由于焊接件在相邻区域易造成急剧温度梯度，引起铁素体钢或类似材料内不均匀的塑性应变，导致材料的屈服应力在随后的冷却工序中超过屈服点的残余应力。此外，上述残余应变既有热力工序的原因（主要是焊接工序产生的）也有机械工序产生的（主要是冷矫形、冷卷等冷加工）。也就是说，在压力容器设计加工的最后产品里面存在残余的弹性应变场，并需要承受其带来的弹性残余应力。而这些残余应力会极大的影响产品的使用性能。
2压力容器的热处理种类介绍
热处理作为恢复和改善金属性能的有效办法，目前的分类很多，分类也较不统一。压力容器的热处理主要有四种：改善钢材性能的热处理，焊后热处理，恢复钢材性能的热处理，焊后的消氢处理。本文主要针对焊后热处理，这是在压力容器设计中应用最为广的一种处理方法来进行分析讨论。
3压力容器设计中的焊后热处理
3.1PWHT的目的
压力容器设计PWHT的目的主要有以下五个方面：（1）降低焊接工序产生的参与应力；（2）稳定钢材的尺寸和形状，减少钢材畸变，使压力容器保持稳定；（3）改善钢材和焊接区的性能，如，提高焊缝处材料的塑性；降低焊缝热影响区的硬度；提高钢材的断裂韧性；改善钢材的疲劳强度；提高冷成型工序中钢材降低的屈服强度；（4）提高钢材抗应力、抗腐蚀的能力；（5）排出焊接区域的氢或其它有害气体，防治产生裂纹。
3.2PWHT的必要性
压力容器有无进行PWHT的必要，需要在设计上进行明确规定，目前压力容器的相关设计规范要求必须进行PWHT。经上文分析可知，焊接过的压力容器，在压力容器设计加工的最后产品里面存在残余的弹性应变场，即其带来的残余应力。一旦焊缝中进入氢，氢会与这些残余应力相结合，导致焊缝的热影响区脆化，产生延迟裂纹和冷裂纹。此外，若压力容器内的残余静应力与钢材的腐蚀效果结合时，还会产生裂纹状腐蚀，也就是应力腐蚀。压力容器是否要PWHT，需从钢材的尺寸、用途、工作条件、所用材料的性能等多方面进行综合考虑来决定。但是若有以下6项所列情形的，均应考虑PWHT：（1）压力容器的使用条件较为苛刻；（2）压力容器厚度超过常规的焊制压力容器；（3）压力容器对尺寸及稳定性要求较为苛刻；（4）压力容器需要由淬硬倾向高的钢材制造；（5）压力容器有裂纹状腐蚀危险；（6）其它有专门规定的压力容器。在焊接钢材料的压力容器时，靠近焊缝的区域容易达到屈服应力，这种残余应力与奥氏体组织的转变有关。根据相关研究表明，想要消除焊接后产生的残余应力，需要采用的回火温度是650℃。随着钢的温度变高，屈服强度会降低，钢材的弹性形变转变为塑性形变，实现应力松弛。而且加热的温度越高，钢材的残余应力消除的越多。但由于温度过高时钢材表面会出现氧化，并且PWHT温度原则上不能高于钢材原来的回火温度，因此一般设定PWHT温度为比原回火温的温度低30℃，这一点尤为重要。
3.3消氢处理
焊接后的消氢处理，指的是在完成焊接后，在焊缝区域钢材冷却至100℃之前，所做的低温热处理，一般规定消氢处理的温度为200-350℃，并保持温度2-6个小时。焊接后的消氢处理目的是为了加快排除焊缝及热影响区中的氢或其它有害气体。消氢处理对于预防低合金钢在之前焊接工序中产生焊接裂纹的效果极好。
3.4消应力处理
经上文分析可知，在焊接工序中，由于不均匀的冷却和加热，以及钢材自身的拘束，在焊接工序后，钢材内部中会存在焊接应力。焊接应力会极大降低焊接区域的承载能力，造成塑性变形，如果再严重点还可能破坏压力容器的整体结构。消应力热处理，指的是将完成焊接的压力容器置于高温中，降低其屈服强度，以此消除焊接应力。通常有两种方法：（1）将整个压力容器高温回火，即把压力容器整个放到加热炉内，均匀加热到指定温度并保持适当时间后进行冷却处理。这种方法可以降低80％～90％的应力；（2）将局部压力容器进行高温回火，即只对压力容器的焊缝区域进行高温加热后，进行缓慢的冷却处理，降低压力容器焊接处应力峰值，平缓应力分布。
3.5PWHT综合效果的考虑
在通常情况下，PWHT是在需要降低残余应力，并严格限定压力容器的应力腐蚀情况下才会进行。因为，从钢材的冲击韧性实验结果发现，PWHT会降低熔敷金属焊接区域的韧性，有时PWHT还会导致焊接区域晶间开裂。此外，由于PWHT最主要是通过高温降低材料强度来消除应力的，因此在PWHT时，钢材有可能因高温而失去刚性。对于采取PWHT的压力容器，在进行热处理前，要考虑好该钢材在高温下的性能。
4结束语
压力容器PWHT虽然能耗较大，所用时间长，但目前在压力容器设计中它是唯一一个被各方都认同的消除焊接处残余应力的方法。当然，压力容器PWHT也不是完美的，在考虑是否对压力容器进行热处理时，要综合比较它的有利与不利两个方面，分析制造压力容器的钢材是否能承受长时间的高温而不降低其性能，分析所耗能量与时间是否与消除残余应力所得收益成正比，应选用哪种热处理方法等，待详细分析后，再做出合理决定。
作者：董海涛 杨健 单位：江苏中圣高科技产业有限公司 南京三方化工设备监理有限公司
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