球罐焊后整體熱處理

1、化工裝備球罐焊后整體熱處理呂毅南(無錫市壓力容器檢測站,無錫,240028摘 要 闡述球罐焊后熱處理的作用及消除殘余應(yīng)力的原理,并就揚子芳烴裝置1000m 3,16MnR 球罐現(xiàn)場焊后整體熱處理質(zhì)量控制進行分析。關(guān)鍵詞 球罐 焊后熱處理 殘余應(yīng)力 質(zhì)量控制POST WELD HEAT TREATMENT OF ENTIRE SPHERICAL TANKLu Yinan(W uxi Pressure V essels Ins pection Station,W uxi,240028Abstract The function on post weld heat treatment of entir

2、e spherical tank and the theory on relief of residual stress w ere described.The quality control and site post w eld entire heat treatment of Yangzi aromatic hydrocarbon system 1000m 3,16M nR spherical tank were analyzed.Key words Spherical tank Post w eld heat treatment Residual stress Quality cont

3、rol球罐焊后整體熱處理為球罐消除殘余應(yīng)力,防止其脆性破壞,確保安全使用,提供了一個十分重要的工藝手段,同時也是球罐制造的最后一道工序。本文著重闡述球罐焊后熱處理的作用及消除殘余應(yīng)力的原理,并就揚子芳烴裝置1000m 3,16M nR 球罐現(xiàn)場質(zhì)量控制進行分析。1 球罐焊后整體熱處理的作用圖1 16MnR 球罐焊后熱處理工藝曲線球罐焊后整體熱處理是將整體加熱到相變點A 1以下某一合適的溫度,經(jīng)過一段時間的保溫后緩慢冷卻的過程,實質(zhì)是焊后亞臨界退火,殘余應(yīng)力是在緩慢冷卻過程中消失的。圖1為揚子16MnR 球罐焊后熱處理工藝曲線。焊后熱處理的作用:(1消除焊接殘余應(yīng)力及變形,穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸;(2改善

4、焊縫、熱影響區(qū)的組織,使焊接造成的非平衡組織轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饨M織,使淬火組織軟化,從而改善焊接接頭的性能,降低硬度,提高塑性及斷裂韌性,提高疲勞強度;(3進一步釋放焊縫中的有害氣體,特別是氫氣,以防止氫脆和氫致裂紋的發(fā)生。在球罐現(xiàn)場組裝中,由于施工條件限制,殼體大,焊縫長,冷卻速度較快,焊縫區(qū)易產(chǎn)生變形,有時還可能進行強力組裝,因此在焊縫區(qū)將產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。而殘余應(yīng)力的確定是一個較復(fù)雜的問題,根據(jù)勞動部5壓力容器缺陷評定規(guī)范6編制說明,垂直于焊縫的殘余應(yīng)力峰值在(0.21D s(D s 材料屈服強度范圍內(nèi),平行于焊縫的殘余應(yīng)力峰值一般可達D s,故此對球罐進行焊后熱處理,消除殘余應(yīng)力就顯得很重要

5、。英國石油公司和焊接研究所的研究指出:消除殘余應(yīng)力的好處很大,特別是對于焊縫厚度D291999年10月 第27卷第5期 江蘇化工 JIANG SU C HEMIC AL INDUS TR Y>40mm,熱處理后的允許裂紋尺寸比不作熱處理要大56倍,由于應(yīng)力的消除,作用于裂紋尖端的應(yīng)力大大降低,從而使裂紋張開位移(C OD的許用值提高,就16M nR 鋼而言,焊后熱處理雖可能使熱影響區(qū)的韌性有所下降,但由于殘余應(yīng)力水平的降低,也可使缺陷的臨界尺寸放寬。2 消除殘余應(yīng)力的原理及實際效果1,2亞臨界溫度下的焊后熱處理實質(zhì)上是一個高溫蠕變及應(yīng)力松馳的過程。鋼在高溫條件下,即使受到遠低于材料高溫屈

6、服強度的外加應(yīng)力作用時,會隨時間的增長,產(chǎn)生不斷增長的塑性變形即蠕變,鋼材只有超過某一臨界溫度后,蠕變才有可能發(fā)生。蠕變與應(yīng)力松馳二者實質(zhì)相同,都是高溫下隨時間發(fā)生的塑性變形的積累過程,只是應(yīng)力松馳是在總變形量一定的特定條件下,發(fā)生的彈性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形的過程,這種金屬材料在高溫下所特有的現(xiàn)象存在如下關(guān)系式:E o =E e +E p 。其中:E o 總應(yīng)變;E e 彈性應(yīng)變;E p 塑 性應(yīng)變。圖2 應(yīng)力松弛曲線圖2為典型的應(yīng)力松馳曲線,在應(yīng)力松馳過程中,隨時間的延長,總應(yīng)變不變條件下,彈性變形逐漸變小,塑性變形逐漸變大,應(yīng)力也逐漸下降,由圖2可知,開始階段應(yīng)力下降很快,時間也較短,當應(yīng)力

7、降至A 1點(D 1,t 1以后,曲線成直線關(guān)系。松馳速度愈小,應(yīng)力下降緩慢,這是第2階段,焊后熱處理處于應(yīng)力松馳第1階段,故此,焊 后熱處理保溫時間不宜過長。圖3 殘余應(yīng)力與熱處理溫度的關(guān)系曲線圖3為英國庫珀萊特(Cooperheat公司測得的應(yīng)力松馳溫度與消除殘余應(yīng)力實際效果的關(guān)系曲線。如圖3所示,若只考慮消除殘余應(yīng)力效果,600e 左右的亞臨界退火,幾乎可以全部消除殘余應(yīng)力。一般地,整體熱處理后的16MnR 球罐,重直于焊縫的殘余應(yīng)力低于0.2D s,平行于焊縫的殘余應(yīng)力約為0.3D s 。3 球罐焊后整體熱處理質(zhì)量控制現(xiàn)就揚子芳烴裝置1000m 3球罐現(xiàn)場焊后整體熱處理質(zhì)量控制進行淺析

8、。該球罐內(nèi)徑512300mm,壁厚D =4446mm,材質(zhì)16M nR,是揚子公司罐壁最厚的球罐,其焊接應(yīng)力復(fù)雜,且熱處理時外界氣溫較低,風速大,熱處理熱量流失多,故正確合理選擇熱處理的各項工藝參數(shù),控制好升溫、降溫速度,以及熱處理中升溫、恒溫、降溫階段溫差,尤其是上下極溫差控制,這是熱處理成敗的關(guān)鍵。3.1 熱處理主要工藝參數(shù)(見表1表1 焊后整體熱處理主要工藝參數(shù)升溫速度/e #h -1恒溫溫度/e 恒溫時間/h恒溫溫差$T /e降溫速度/e #h -1升溫、降溫時溫差$T /e300e 以下,不控制;300e 以上,2080625?25250300e 以上,2050;300e 以下,自然

9、冷卻<1303.2 熱處理方法采用罐內(nèi)同時燃燒輕柴油和液化氣的方法,一方面利用裝在下極人孔處的高壓噴嘴用壓縮風將柴油噴入罐內(nèi)霧化,點燃使霧化劑燃燒,另一方面以液化石油氣燃燒器,將壓縮風和液化氣混合噴出,以較柴油弱的火焰燃燒,從而以對流和輻射30 江 蘇 化 工 第27卷第5期的方法使球罐加熱至一定溫度。3.3 上下極溫差的控制為使熱處理中升溫、恒溫、降溫階段溫差,尤其是上下極溫差控制在工藝參數(shù)范圍內(nèi),甚至更小,采取如下措施:(1現(xiàn)場特制作專用液化氣燃燒器,安裝在下極人孔處,其形狀為環(huán)形,周圍布滿小孔,保證霧化油連續(xù)、均勻燃燒,熱處理中,壓縮風和液化氣混合噴出,著重加熱下極附近殼體以減少溫

10、差。(2通過調(diào)節(jié)進油、液化氣、空氣和煙囪來控制升溫、降溫速度和恒溫時間,另外,由于罐壁冷態(tài)加熱,300e 以內(nèi)也需適當控制速度,以免出現(xiàn)溫差過大。(3溫度的監(jiān)測也是一個重要環(huán)節(jié),除儀表自動記錄外,手工每半小時記錄一次溫度,并及時計算升溫速度及溫差,從而確定是否調(diào)節(jié)油、氣、風參數(shù),以保證上下極板溫差在參數(shù)范圍內(nèi)。另外,保溫層外表溫度及熱處理過程中保溫層質(zhì)量也應(yīng)定時測定和及時處理。3.4 柱腳處理球罐熱處理時,由于球罐產(chǎn)生的膨脹和收縮,為避免柱腳與罐體連接部位產(chǎn)生過大應(yīng)力及變形,應(yīng)設(shè)置移動裝置,定時調(diào)整柱腳垂直度。圖4為球罐熱處理上下極實際曲線。由曲線可知:(1300e 以內(nèi)升溫時最大溫差$T 1

11、<80e ;(2300e 以上至恒溫溫差基本控制在$T 2=3050e ;(3恒溫時溫差$T <30e ;(4降溫階段溫差$T 3<40e 。表2列出球罐用鋼的機械性能。表3列出球 罐熱處理后產(chǎn)品試板的機械性能。圖4 球罐熱處理(上下極實際曲線表2 16MnR 球罐用鋼機械性能鋼號抗拉強度D b /MPa屈服強度D s /MPa延伸率D 5/%沖擊韌性/(kg #m#c m -2冷彎角/(b 彎曲直徑B 試樣厚度16MnR5203502161803表3 球罐(產(chǎn)品試板焊后熱處理后的主要機械性能鋼號抗拉強度D b /MPa屈服強度D s /MPa延伸率D 5/%沖擊韌性/(kg #m#cm -2彎屈(100b 面彎背彎16MnR521524310330223022.725.9未裂未裂4 結(jié)語從現(xiàn)場實踐可知,球罐焊后整體熱處理是消除殘余應(yīng)力的有效手段。正確選擇工藝參數(shù)是焊后熱處理成功的關(guān)鍵。底部人孔液化氣燃燒器的參與,為上下極溫差的控制提供了保證。就揚子芳烴裝置1000m 3M nR 球罐現(xiàn)場焊后整體熱處理而言,現(xiàn)場質(zhì)量控制較成功。參考文獻1 球形儲罐施工及驗收