朱振民
摘 要：文章对不锈钢压力容器封头的基本情况进行介绍，从加工工艺、使用材料以及缺陷部位上，指出不锈钢封头缺陷问题发生时的主要特点，并深入分析了不锈钢压力容器封头缺陷的主要产生原因及处理办法，提出预防不锈钢压力容器封头出现问题的有效策略，并就现行的压力容器技术标准提出一些修改意见，以期促进不锈钢压力容器封头质量的提升，为压力容器制造企业提供参考。
关键词：不锈钢;压力容器封头;处理措施;研究
引言：压力容器封头的质量是直接关系到压力容器安全性和使用寿命的重要部件，不锈钢具有的耐腐蚀、耐高温、耐低温的天然材质特性，加之良好的力学和工艺表现，在压力容器封头制作中被广泛应用[1]。但是近年来不时出现不锈钢压力容器封头缺陷问题，对压力容器以及相关制造公司和使用者造成相当大的困扰，因此对不锈钢压力容器封头缺陷问题及处理措施进行研究是十分必要的。
1 不锈钢压力容器封头的基本情况介绍
压力容器封头（ 以下简称“封头”） ，是压力容器的主要受压元件。其质量的高低之间影响到压力容器的安全，因此，对于压力容器颈部或头部生产企业的进行必要的质量控制是非常重要的[2]。不锈钢具有抗腐蚀性、抗高温耐低温等特性，备受压力容器制造行业的青睐，受到行业内部的广泛认可。
2 不锈钢压力容器封头缺陷问题的主要特点
2.1 在加工工艺上
在加工工艺上，出现缺陷问题的不锈钢压力容器封头都采用的是室温下的冷成形工艺，虽然在具体种类上有所不同，例如，有的是采用冷冲压成形，有的则是使用冷旋压成形，但均属于冷成形的范畴[3]。所谓冷成形，是指在结晶温度以下，对工件材料进行的塑性变形加工。冷成形的范围比较广，一些工程中环境温度下的塑性变形加工，以及部分文献中的“温成形”也都是冷成形的范畴。
2.2 在使用材料上
出现缺陷问题的不锈钢压力容器中，采用的材料属于亚稳态奥氏体不锈钢，具体包括304，304L 或321 不锈钢。奥氏体不锈钢是基体以奥氏体组织为主、无磁性、主要通过冷加工使其强化的一类不锈钢[4]。由于其自身的稳定性比较强而被广泛使用，在奥氏体不锈钢的范围之下，又有诸多种类，根据稳定性的高低，可以将其具体可以分为亚稳态奥氏体不锈钢和稳态奥氏体不锈钢。亚稳态奥氏体不锈钢在塑性变形时部分奥氏体组织较容易转变成马氏体组织。与稳态奥氏体不锈钢相比，在性能上比较落后。而出现缺陷问题的不锈钢材料都是亚稳态奥氏体不锈钢。
2.3 在缺陷部位上
封头缺陷位置大多处于于直边段、过渡区或拼接焊缝热影响区，这部分区域的组织结构比较不稳定，属于奥氏体与马氏体共存組织[5]。其中封头中受力和变形最大的区域就是直边段。其次就是过渡区，受力和变形最小的就是顶部的曲面。在拼接焊缝热影响区，由于受影响最爱，这部分焊缝两侧固态母材组织和性能变化显著，因此往往容易出现一些缺陷问题。
3 不锈钢压力容器封头缺陷的主要产生原因及处理办法
3.1 冷变形强化导致的封头缺陷
奥氏体不锈钢的强化处理只能通过冷加工的形式进行，所谓冷变形强化就是借助低温使得金属产生塑性变形[6]。在低温变形的过程中，随着变形量增加，金属的硬度和强度升高、塑性和韧性下降。奥氏体不锈钢压力容器封头在冷加工的过程中，材料内部也会产生相应的塑性变形，并且，材料晶体也会随着产生相应的滑移和孪生，这就使得晶格的位错缺陷进一步曾庆，并且随着变形量的不断提升，位错密度也逐渐加强。由于位错间的相互作用，使得材料硬度和强度提升，同时材料塑性和韧性降低，但是当塑性变形到达一定程度时，就会产生封头开裂缺陷。
3.2 马氏体相变造成的封头缺陷
马氏体相变是指替换原子无扩散切变（ 原子沿相界面作协作运动） ，使其形状发生改变的一级、形核——长大型相变。根据马氏体相变理论可知，当温度处于马氏体点以上，并且在形变诱发马氏体相变临界温度以下时，奥氏体不锈钢的塑性变形就会产生马氏体相变。其结果就是，一些面心立方的奥氏体组织会转变成应变诱发马氏体组织。马氏体组织可以进一步分为α"相马氏体，以及ε 相马氏体两种。而奥氏体不锈钢的工艺温度正处于马氏体相变的条件温度之下，于是在制作中，尤其是应用亚稳态奥氏体不锈钢材料进行制作中，其中的部分奥氏体组织容易转变成马氏体，并且随着变形量的不断提升，相应的马氏体转变量也逐渐增大。而马氏体组织相较于奥氏体组织更硬、更脆，并且两种不同特性的组织工作，使得，冷成形后的奥氏体不锈钢封头材料内部极易形成显微裂纹，进而造成封头缺陷。
3.3 腐蚀环境的影响以及开平板的使用下的封头缺陷
马氏体腐蚀电位比奥氏体腐蚀电位低。并且当两者共同存在于腐蚀环境下时，马氏体会作为为阳极，奥氏体作为阴极，两者之间能进一步形成腐蚀微电偶对。这种腐蚀微电偶对极易造成点蚀和应力腐蚀，使得奥氏体不锈钢内部更容易受到影响，提升电偶腐蚀、点蚀和应力腐蚀敏感性。
开平板是卷形钢带在室温环境下经过开卷、校平、剪切而成的钢板，开平板在使用的过程中，压力容器和封头制造企业能够自由的裁定选择的长度，因而能够节省材料、节省开支，进而广受人们的青睐。但是，开平板在使用的过程中，需要在固溶处理后，进行钢带成卷和开平操作等反复冷加工变形，于是使得其在力学性能的表现上不及轧制钢板出众。就不锈钢压力容器封头的使用情况而言，使用开平板成形的封头，与使用轧制钢板成形的封头相比，缺陷问题格外突出，这种现象的原因主要是使用开平板成形后，断后伸长率出现降低、材料延性下降，因此在使用开平板时，需要对其力学性能进行复验，才能进一步出品。但是在实际的制作过程中，一些企业或制作人员对于力学性能复验结果中的硬度指标没有给予足够的重视，即使出现了硬度指标超过标准要求值的情况也视若无睹，于是，这些硬度较高的奥氏体不锈钢开平板，在应用于不锈钢压力容器封头时，就极易造成封头缺陷。
3.4 不锈钢压力容器封头缺陷的主要处理办法
当不锈钢压力容器封头出现缺陷问题时，需要对封头进行重新制作，一些企业为了避免开裂再次发生，会将重新制作的不锈钢封头在完成冷成形处理后，就立即作恢复材料性能热处理。也就是进行不锈钢的固溶处理。通过将奥氏体不锈钢加热至适当温度并保温，通过过剩相充分在固溶体中实现充分的溶解，并进行快速冷却，进而得到单一奥氏体组织。这里需要注意的是，在进行制作时，需要制备一些的试件，通过对试件的测试、评定判断工艺的可行与否。并且对于部分要求比较高，需要耐腐蚀的压力容器封头，在热处理前应清除污物及有害杂质，在热处理后应作酸洗、钝化处理。
4 预防不锈钢压力容器封头出现问题的有效策略
4.1 在材料的使用上
根据上文的分析可以知道，稳态奥氏体不锈钢比亚稳态奥氏体不锈钢具有更强的稳定性，因此，在进行冷成形时应该尽可能的选择性能更好、稳定性更强的稳态奥氏体不锈钢。并且要慎用开平板。在使用开平板时，需要注意必须对其力学性能进行复检，其中任何一项力学性能的指标出现不符，就不能继续进行冷成形封头的制作。
4.2 在工艺的制作上
对于炼钢、钢带开平、封头制造企业来说，要提升各自的钢带成卷、钢带开平和封头冷成形加工工艺，使得不锈钢压力容器封头制作过程中尽可能的减少马氏体转变，提升不锈钢压力容器封头制作的质量，更好的保障不锈钢压力容器的安全性。在条件允许的情况下，可以应用温成形工艺。
4.3 在成形的温度控制上
在封头的冷成形工艺的处理上，其温度的可以比室温高，但是不能超过150 ℃，研究证明，通过提升成形工艺中的温度，能够极大的降低奥氏体转变为马氏体相的数量，进而能够降低变形引起的塑性下降幅度。另外，针对不锈钢压力容器封头中出现缺陷的部位往往是直边段、过渡区、拼接焊缝和焊缝热影响区等部位的情况，在制作中，应对这些部分格外关注，并认真测量，当发现其中的组织变化较大时，就要对其材料进行恢复性能的热处理。
5 关于压力容器技术标准的修改建议
在预防不锈钢压力容器封头出现问题的有效策略中，其中對组织变化情况进行及时测量十分重要。通过及时、准确的测量，能够判断出是否需要进行恢复材料性能热处理。这也是根据2016 年10 月开始实施的TSG 21—2016《固定式压力容器安全监察规程（ 含修订说明）》的一项新增要求，其中指出在一定情况下，要对受压元件进行恢复材料性能热处理。这项新增要求真正抓住了冷成形对材料性能影响的本质，但是在执行过程中，在操作层面上比较空，没有实现具体的、切实可行的要求，虽然与原先的条例相比具有很大的进步，但是仍存在一定的缺陷。并且奥氏体不锈钢冷模的恢复特性除了要考虑材料的热处理之外，还要考虑到相应的材料变形、气候变化、外界因素、变形速率、塑性变形等情况，想要实现对变形量的控制，需要进一步提升标准，并且要在标准中将恢复材料性能热处理的条件进一步明确。例如，将设计温度控制在低于- 100 ℃或高于675 ℃时，将原先的变形量控制值由15%减小为10%，并且对于直边段、过渡区、拼接焊缝和焊缝热影响区等重点部位的组织变化情况进行细化规定，提升质量控制的标准，更好的促进压力容器和封头制造企业提升制作质量，最大程度上减少或避免不锈钢压力容器封头产生缺陷。
小结：不锈钢压力容器封头的制作质量，与压力容器的安全性密切相关，不仅涉及到相关企业的销量与经济利润，更是关系到安全性的重要问题。对于压力容器和封头制造企业来说，要提升质量会议，加强质量把控，不断进行工艺的提升与技术创创新，对于不锈钢压力容器封头缺陷问题及时的发现、处理，正视、重视问题，不断提升产品的安全性能。
参考文献：
[1]黄理.奥氏体不锈钢制压力容器封头开裂及失效机理研究[J].冶金与材料，2020，40（05）：7-9.
[2]李志宏.不锈钢压力容器封头缺陷问题的研究[J].机械管理开发，2019，34（08）：281-283.
[3]田士彬.奥氏体不锈钢压力容器封头开裂缺陷的探讨[J].化工管理，2019（20）：155.
[4]吴高峰.不锈钢复合钢板封头裂纹成因分析及检验评定探讨[J].质量技术监督研究，2019（03）：17-19.
[5]卢大为.奥氏体不锈钢压力容器封头开裂分析[J].设备管理与维修，2018（18）：27-28.
[6]汪钰，冯德兴，张东辉，梅应虎.奥氏体不锈钢压力容器封头开裂缺陷的探讨[J].压力容器，2017，34（06）：74-80.
（南通市明鑫化工销售有限公司，江苏 南通 226000;南通鑫拓封头制造有限公司，江苏 南通 226000）
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