大型設(shè)備施工現(xiàn)場對接焊縫熱處理工藝

1、 收稿日期 : 2005203216作者簡介 : 桂榮惠 (19692) ,女 (漢族) ,河南臨潁人 ,高級工程師 ,學(xué)士 ,主要從事壓力容器制造及管理工作。文章編號 : 100027466 (2005) 0420062202大型設(shè)備施工現(xiàn)場對接焊縫熱處理工藝桂榮惠1 , 趙志強2 , 羅曉軍1(1. 中石油第二建設(shè)公司 , 甘肅 蘭州 730060 ; 2. 中石化安慶分公司 丙烯腈部 , 安徽 安慶 246000)

2、摘要 : 以蘭州石化公司 140 萬 t/ a 重催工程丙烯塔的現(xiàn)場立式組裝為例 ,對現(xiàn)場對接環(huán)縫的熱處理工藝方法進行了探討。關(guān)鍵詞 : 塔器 ; 對接接頭 ; 熱處理中圖分類號 : TQ 0531506 文獻標(biāo)識碼 : B蘭州石化公司重催裝置丙烯塔 I 設(shè)計圖樣中要求整體熱處理 ,由于設(shè)備超限 ,不能整體運至現(xiàn)場安裝 ,因此在制造廠分段預(yù)制并熱處理后 ,運至現(xiàn)場立式組對就位 ,然后用電加熱片對現(xiàn)場組對環(huán)縫進行局部熱處理。由于

3、金屬材料強度在高溫下下降較大 ,且環(huán)焊縫之上的設(shè)備質(zhì)量較大 ,環(huán)焊縫熱處理時加熱段強度會降低 ,因此設(shè)備現(xiàn)場組對環(huán)焊縫熱處理工藝的安全性非常重要 ,文中介紹 2 種安全可靠的熱處理工藝方法并做必要的論證 ,供今后類似設(shè)備的現(xiàn)場熱處理借鑒。1 降低熱處理溫度1. 1 降低熱處理溫度依據(jù)及規(guī)定按文獻[1 ]第 8. 3 條表 6 中列出的常用鋼焊后熱處理規(guī)范 ,碳素鋼和 16MnR 熱處理溫度為 600～640 ℃,文獻[1 ]第

4、8. 3 條表 7 中又做出了降低熱處理溫度 ,增加保溫時間的具體規(guī)定。在國家技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督局 1999 年版 《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的修訂說明中 ,對熱處理溫度的保溫時間專門做了說明 ,指出可按文獻[1 ]的規(guī)定執(zhí)行。當(dāng)碳素鋼、 強度型低合金鋼焊后熱處理溫度低于規(guī)定溫度的下限值時 ,根據(jù)文獻[1 ]最短保溫時間擬訂具體的熱處理工藝 ,見表 1。表 1 焊后熱處理溫度低于規(guī)定值的保溫時間低于規(guī)定溫度范圍下限值數(shù)值 / ℃ 25

5、55 80 110降低溫度后最短保溫時間1) / h 2 4 102) 202)注 : 1) 最短保溫時間適用于厚度不大于 25 mm 焊件的焊后熱處理。當(dāng)焊后熱處理厚度大于 25 mm 時 ,厚度每增加25 mm ,最短保溫時間增加 15 min。2) 適用于碳素鋼和 16MnR。1. 2 金屬材料高溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 20R、 16MnR 的最高使用溫度為 475 ℃,475 ℃ 以上的力學(xué)性能數(shù)據(jù)在一般標(biāo)準(zhǔn)中未能

6、查到。現(xiàn)從文獻[ 2 ]查得有關(guān)鋼材 500℃ 的強度數(shù)據(jù) ,見表 2。表 2 有關(guān)鋼材 500 ℃ 熱處理溫度下的強度 MPa鋼材屈服強度400 ℃ 450 ℃ 500 ℃蠕變極限400 ℃ 425 ℃ 450 ℃ 475 ℃ 500 ℃10 9810 78. 4 58. 8 83. 3 61. 7 43. 1 30. 4 21. 615 107. 8 88. 2 68. 6 93. 1 68. 6 4710 35. 3 24.

7、520 117. 6 9810 78. 4 9810 73. 5 4910 35. 3 24. 51. 3 500 ℃ 熱處理溫度下材料許用應(yīng)力的確定因為消除應(yīng)力熱處理為短時間熱處理 ,熱處理時的許用應(yīng)力不應(yīng)按照 10 × 104 h 下持久強度和蠕變極限確定 ,應(yīng)按 500 ℃ 下的屈服強度確定。將表2 數(shù)據(jù)與 G B 150 中鋼材的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)進行對照 ,可以發(fā)現(xiàn)鋼材高溫下的許用應(yīng)力主要受長期強度制約 ,若將其用做熱

8、處理溫度下的設(shè)備強度校核則保守得多。20 鋼與 20R 力學(xué)性能相當(dāng) ,且比 16MnR第 34 卷 第 4 期 石 油 化 工 設(shè) 備 Vol134 No14 2005 年 7 月 PETRO2CHEMICAL EQU IPMEN T J uly 2005 © 1995-2005

9、 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.力學(xué)性能低。按照 20 鋼 500 ℃ 屈服強度確定熱處理時的許用應(yīng)力 ,對 20R 是合適的 ,對 16MnR 則更為安全。20 鋼500 ℃ 時的屈服強度為 78. 4 MPa ,安全系數(shù)取 1. 6 ,經(jīng)過計算 ,500 ℃ 時材料的許用應(yīng)力為 49 MPa。1. 4 500 ℃ 熱處理時設(shè)備的強度校

10、核以質(zhì)量最大的丙烯塔 I 為例 ,丙烯塔體的截面尺寸為 ? 4 400 mm ×42 mm ,上段塔體的質(zhì)量為155 t ,附加 5 %的操作平臺的構(gòu)件質(zhì)量 ,則計算質(zhì)量為 162. 750 t 。此質(zhì)量產(chǎn)生的重力使熱處理段產(chǎn)生2. 8 MPa 的應(yīng)力 ,此數(shù)值僅為許用應(yīng)力的 5. 7 % ,所以是相當(dāng)安全的。1. 5 溫度降低值的合理選取對碳鋼和 16MnR 在 500 ℃ 進行熱處理比規(guī)定的溫度范圍下限值降低了 100

11、 ℃,按照規(guī)定最短的保溫時間也應(yīng)為 20 h ,而這個時間太長 ,影響施工效率。根據(jù)實踐經(jīng)驗 ,參照表 1 和文獻[ 1 ]規(guī)定 ,適當(dāng)減少熱處理溫度降低值 ,則熱處理時間可以有較大縮短。在具體確定塔器現(xiàn)場對接環(huán)焊縫熱處理工藝時 ,可以參照以上計算分析 ,結(jié)合設(shè)備具體情況和實踐經(jīng)驗 ,適當(dāng)提高熱處理溫度。如在 545 ℃ 時熱處理最短保溫時間為 4 h ,如在 520 ℃ 時熱處理最短保溫時間為 10 h。丙烯塔 I 14 000 mm

12、 標(biāo)高處環(huán)縫是在安裝了上面 2 段塔體后進行熱處理的 ,上面 2 段塔體的質(zhì)量為 102 t 。熱處理溫度為 550 ℃,時間僅需 4. 25 h ,但考慮到該環(huán)縫組對應(yīng)力過大 ,實際操作時熱處理時間延長為 10 h。2 高溫下分區(qū)分段熱處理2. 1 方法說明將待熱處理的環(huán)焊縫沿圓周分為 A 區(qū)( A 1 、 A 2 、圖 1 環(huán)焊縫沿圓周的分區(qū)示圖A 3) 、 B 區(qū) ( B1 、 B2 、 B3 ) 和 C 區(qū) ( C

13、1 、 C 2 、 C 3 、 C4 、 C 5 、C 6 ) ,具體的分區(qū)情況見圖 1。 其中 C1 ～ C 6 的最小寬度不小于 450 mm ,各區(qū)分段均等。對于較小直徑的塔器 ,環(huán)縫熱處理分區(qū)可以僅分為 A 區(qū)和 B 區(qū)。按照 A 、 B 、 C 區(qū)布置電熱板 ,每個區(qū)應(yīng)最少布置 1 個熱電偶。熱處理開始時啟動 A 、 B 、 C 區(qū)所有電熱板加熱升溫 ,待溫度升到設(shè)定的高溫區(qū)(如 500 ℃ ) ,B 區(qū)不再升溫 ,在該溫度下

14、恒溫。A 區(qū)、 C 區(qū)繼續(xù)升溫到熱處理工藝要求的加熱溫度 (如 620 ℃ ) ,并在該溫度下保持規(guī)定的加熱時間。此后 , A 區(qū)和 C 區(qū)按規(guī)定的降溫速度降溫 ,當(dāng)溫度降至前面設(shè)定的溫度 (如500 ℃ ) 后 ,A 區(qū)和 C 區(qū)開始恒溫。恒溫約 20 min ,B區(qū)和 C 區(qū)開始繼續(xù)升溫 ,達到熱處理規(guī)定要求的加熱溫度后恒溫 ,當(dāng)溫度降到設(shè)定溫度 (500 ℃ ) 時 ,所有區(qū)域同時降溫。2. 2 效果及優(yōu)點A 區(qū)和 B 區(qū)分段

15、熱處理 , C 區(qū)為過渡重疊加熱區(qū)。A 區(qū)熱處理時塔體的強度由溫度較低的 B 區(qū)保證 , B 區(qū)熱處理時塔體的強度由溫度較低的 A 區(qū)保證 ,可確保熱處理時設(shè)備安全可靠。仍然以丙烯塔 I 為例 ,假如 A 區(qū) (或 B 區(qū)) 熱處理時 ,上段塔體質(zhì)量完全由溫度較低的 B 區(qū) (或 A 區(qū)) 承擔(dān) ,經(jīng)計算應(yīng)力約為 7 MPa。仍以 500 ℃ 的材料強度作為校核的依據(jù) ,熱處理時的許用應(yīng)力為 49 MPa ,僅為許用應(yīng)力的 14. 3

16、%。A 區(qū)、 B 區(qū)分段熱處理是在較高的溫度之后才開始分段加溫的 ,因此 A 區(qū)、 B 區(qū)的溫差很小 ,僅約 100 ℃,這樣就可避免產(chǎn)生過大的溫差應(yīng)力。在實際操作中 ,根據(jù)實踐經(jīng)驗仍然可以將所設(shè)定的溫度再適當(dāng)提高些 ,從而使溫差應(yīng)力進一步減小。3 結(jié)語在規(guī)范允許的范圍內(nèi)采取降低熱處理溫度、 延長恒溫時間以及對環(huán)縫進行分區(qū) (段) 熱處理的方法 ,可以保證大型立式設(shè)備現(xiàn)場對接環(huán)縫熱處理工藝的實施 ,順利完成設(shè)備的現(xiàn)場立式組裝 ,具有

17、一定的實際意義。參考文獻 :[1] JB/ T 4709 - 2000 , 鋼制壓力容器焊接規(guī)程[ S].[2] 劉 魏. 石油廠機器與設(shè)備[ M]. 上海 :上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 ,1985.(孫編)· 3 6 ·第 4 期 桂榮惠 ,等 :大型設(shè)備施工現(xiàn)場對接焊縫熱處理工藝© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,