CSTM-承壓設備感應加熱熱處理規(guī)程編制說明

T/CSTMXXXXX-202X《承壓設備感應加熱熱處理規(guī)程》編制說明目錄（編寫框架）1. 目的、意義及任務 02. 國內(nèi)外現(xiàn)行感應加熱熱處理標準及CSTM要求的比較與制修訂 13. 感應加熱熱處理技術 24. 標準編制原則和主要內(nèi)容 34.1標準編制原則 34.2主要內(nèi)容 45. 主要試驗（或驗證）情況分析 75.1感應加熱在加氫反應器上的應用 75.2感應加熱復合板均溫性實驗 95.3馬鞍形厚板感應加熱均溫性試驗 125.3加氫反應器筒體合攏縫感應加熱局部熱處理可行性驗證 156. 其他規(guī)定 217. 結束語 21

目的、意義及任務碳達峰和碳中和是中央人民政府和生態(tài)環(huán)境部提出的，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、保護生態(tài)環(huán)境的同時實現(xiàn)綠水晴天的重要口號和目標，也是我國對世界環(huán)境資源保護的重要體現(xiàn)。習總書記強調(diào)，我國在2030年碳排放達峰值，2060年實現(xiàn)碳中和目標；國資委強調(diào)要加強低碳、零碳、負碳技術攻關，為企業(yè)和高校科研團隊提出了新的要求；同時關于指導意見指出，對于石化行業(yè)要加強二氧化碳減排示范工程，要求石化行業(yè)未來減少二氧化碳排放；中石化原董事長指出，石化行業(yè)要以零排放為終極目標，比國家要求力爭十年提前實現(xiàn)碳中和。無論是從國家層面還是中石化內(nèi)部要求，都為石化行業(yè)碳排放提出了新的挑戰(zhàn)和要求，必須引起石化行業(yè)的高度重視。目前，我國石化核電均向高產(chǎn)、大型化發(fā)展，千萬噸煉油、百萬噸乙烯和百萬千瓦核電已成為國家石化和能源發(fā)展的常態(tài)。作為石化和核電系統(tǒng)的核心裝備，承壓裝備是整個系統(tǒng)的心臟所在。為滿足該背景下的需求，實現(xiàn)提高經(jīng)濟效益、節(jié)能減排的目標，石化和核電承壓裝備逐漸向大型化發(fā)展，一些大型加氫反應器直徑超過6米，高度超過72米，塔器長度更是長達113米。然而，大型化給制造帶來巨大挑戰(zhàn)！面臨的主要問題是：由于直徑和壁厚超大、焊道多，產(chǎn)生較大殘余應力，引起應力腐蝕、蠕變、疲勞開裂。因此，提升重大承壓設備的本質(zhì)安全，亟需消除焊接殘余應力！熱處理是改善組織、消除殘余應力的重要手段，預熱、消氫、中間消應以及終熱伴隨壓力容器制造的整個環(huán)節(jié)，是制造環(huán)節(jié)是不可或缺且至關重要的一步。由于承壓設備大型化發(fā)展，設備整體進爐熱處理困難，目前采用分段爐內(nèi)+合攏焊縫局部熱處理的方式進行熱處理。但在局部熱處理過程中，存在較大困難，陶瓷片進行加熱壁厚有限，壁厚超70mm將無法保證熱處理內(nèi)外壁均溫性，內(nèi)外壁形成較大溫差；卡式爐加熱作為目前壁厚設備常用的加熱手段，其尺寸固定，對制造廠不同尺寸的設備適用性不強且現(xiàn)場操作難度大。據(jù)現(xiàn)場反應，當承壓設備直徑較小時，卡式爐膛由于可以內(nèi)塞大量保溫棉，從而溫度均勻性要明顯大于設備直徑較大的情況。除上述挑戰(zhàn)外，目前由于設備尺寸和壁厚超大，只能采用天然氣、燃油燃燒的加熱方式，熱處理過程中，無疑產(chǎn)生大量二氧化碳；新標準的提出預熱溫度由150升至205℃，增加了預熱過程燃氣的消耗和碳排放，且整個預熱過程需一直加熱，一旦停下將會產(chǎn)生延遲裂紋，這就是工程上常說的長明燈。目前據(jù)權威數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國壓力容器制造企業(yè)達3000多家，在我國一年壓力容器制造廠進行熱處理所排放的二氧化碳竟超5000萬噸，這是個非常驚人的數(shù)字。同時，全國所有制造廠一年進行熱處理耗資超過1000億元，占2020年全國GDP總值的千分之1.2。同時，根據(jù)環(huán)境保護的要求，國家已經(jīng)出臺熱處理環(huán)境保護要求，明確熱處理車間需設立廢棄收集裝置，這對制造廠來說又是一大挑戰(zhàn)。所以，無論從國家實現(xiàn)碳中和目標層面、還是中石化體系以及對全國各制造廠而言，我們必須要采用綠色環(huán)保的熱處理工藝。在中國材料與試驗團體標準委員會特種設備領域委員會領導下，為促進我國重大承壓裝備的高可靠制造、長壽命服役，編寫、制訂CSTM《承壓設備感應加熱熱處理規(guī)程》以促進我國局部熱處理在重大裝備的發(fā)展。本文件是結合工作組采用感應加熱技術在重大承壓設備的局部熱處理的大量應用，形成了《承壓設備感應加熱熱處理規(guī)程》標準草案。本標準主要由中國石油大學（華東）和中國石化工程建設有限公司負責項目整體規(guī)劃及實施。青島海越機電科技有限公司作為國內(nèi)知名的感應加熱裝備生產(chǎn)廠家，在感應加熱熱處理技術方面處于國內(nèi)領先地位，其生產(chǎn)制造的感應加熱裝備在我核電領域的核反應堆壓力容器、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器、泵殼等關鍵裝備的熱處理得到廣泛的應用。中國石油大學（華東）、華東理工大學等高校提供感應加熱和局部熱處理的相關理論研究，中國石化工程建設有限公司、全國鍋爐和容器標準化委員會、中國特檢院等設計檢測單位對該技術進行評估，中國一重集團有限公司、中國第二重型機械集團公司、寧波天翼石化重型設備制造有限公司、青島蘭石重型機械設備有限公司、撫順機械設備制造有限公司、甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司等制造單位進行重型加氫反應器、大型塔器的制造及感應加熱熱處理最優(yōu)應力調(diào)控方法應用，中國石油化工股份有限公司天津分公司作為用戶，擁有豐富的重型加氫反應器和大型容器的管理經(jīng)驗，對本標準進行工業(yè)化應用及反饋。國內(nèi)外現(xiàn)行局部熱處理標準及CSTM要求的比較與制修訂現(xiàn)有標準主要針對感應加熱設備的制造和機械零件方向。其中JB/T8491規(guī)定了金屬切削機床零件感應淬火、回火的技術要求、檢驗方法與驗收規(guī)則；GB5959.3-2008規(guī)定了感應加熱電源、線圈及冷卻裝置的要求，從設備角度對感應加熱裝置進行了標定；然而，對于熱處理過程中感應電源、感應線圈的選取及線圈布置方式和如何測溫控溫方面尚未做出系統(tǒng)性規(guī)定。綜上所述，如何采用感應加熱方式進行熱處理缺乏技術指導，需要編制統(tǒng)一適用的標準以滿足當前需求以國內(nèi)現(xiàn)行GB/T30583-2014《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》和T/CSTM00546-2021《承壓設備局部焊后熱處理規(guī)程》標準為基礎，結合最新研究進展的感應加熱溫度精準控制關鍵技術和感應裝備，形成CSTM《承壓設備感應加熱熱處理規(guī)程》征求意見用草稿。感應加熱熱處理技術感應加熱作為一項基于電力電子技術而發(fā)展起來的技術，是一項綠色環(huán)保的熱處理工藝。感應加熱與傳統(tǒng)熱處理不同，采用磁滯和渦流熱效應，依靠工件自身生熱和熱傳導對工件進行升溫，而傳統(tǒng)加熱方式僅是通過加熱器產(chǎn)熱，利用熱傳導和輻射對工件進行加熱。是一種將電能轉(zhuǎn)化為磁能再轉(zhuǎn)化為電能，進而轉(zhuǎn)化為熱能的過程。具有非接觸式加熱、穿透性強且兼具退磁功能的優(yōu)勢。感應加熱技術與陶瓷片和火焰加熱相比較，其在熱效率明顯高于其他兩種加熱方式、且感應加熱智能化程度高，能夠做到精確控溫控制升溫速率并且隨時可調(diào)節(jié)。對于厚壁容器熱處理而言，其熱處理成本相比火焰加熱降低70%以上，并且整個熱處理過程幾乎沒有二氧化碳排放，清潔高效無污染。該方法已經(jīng)在核電設備熱處理過程中得到廣泛應用。表1感應加熱與傳統(tǒng)熱處理對比項目陶瓷片加熱火焰加熱感應加熱加熱方式電阻外熱+輻射燃燒+輻射+熱傳導自生熱+熱傳導熱效率≤60%≤15%≥90%智能化程度低低高成本高高低環(huán)保特點準備時間長，能耗高明火、煙塵CO2/NOx排放、環(huán)境污染綠色環(huán)保、清潔生產(chǎn)、控溫精確青島蘭石在盤錦加氫反應器項目，環(huán)境溫度將近-20℃，卡式爐運輸?shù)痊F(xiàn)場操作十分不便。采用現(xiàn)場感應加熱熱處理的方式，并對感應加熱和卡式爐現(xiàn)場熱處理進行比較?？ㄊ綘t加熱周期為7天，感應加熱工作周期僅為4天，耗時節(jié)約近一半。對于成本而言，卡式爐加熱為4.8萬元，感應加熱為1.1萬元，感應加熱熱處理成本比卡式爐節(jié)約77.1%，進行一條焊縫焊后熱處理卡式爐排放二氧化碳為23.9噸，而感應加熱熱處理幾乎0碳排放。表2耗能統(tǒng)計分析表加熱方式耗時功率/流量耗能總和單價成本碳排放卡式爐加熱7天一臺卡式爐498m3/h12152m33.95元/m34.8萬元23.9噸感應加熱4天125KW/臺（3臺）12222KWh0.9元/kWh1.1萬元近似0噸表3是以哈電重裝所提供的核電穩(wěn)壓器筒節(jié)堆焊為例，壁厚120mm，外徑2580mm，預熱溫度180℃。預熱周期15天情況下，成本節(jié)約近12萬，長明燈燃氣加熱碳排放達77.4噸。綜上，如果全國壓力容器制造廠熱處理環(huán)境采用感應加熱的方式，一年可節(jié)約成本超770億元，且整個熱處理過程幾乎沒有二氧化碳的排放。表3耗能統(tǒng)計分析表加熱方式加熱時間功率/流量耗能總和單價成本碳排放燃氣加熱15天第1天兩個燃氣箱156m3/h39312m33.95元/m315.5萬元77.4噸第2-14天一個燃氣箱78m3/h第15天兩個燃氣箱156m3/h感應加熱15天第1天40KW/臺（4臺）38800kwh0.9元/kWh3.5萬元近似0噸第2-14天25KW/臺（4臺）第15天40KW/臺（4臺）目前感應加熱技術由于其節(jié)能環(huán)保成本低效率高的特點，在工業(yè)應用中具有很好的發(fā)展?jié)摿Γ摷夹g若能成功在工業(yè)熱處理得到廣泛應用，將取代傳統(tǒng)加熱方式，是一場工業(yè)熱處理革命性的事件。在目前的應用基礎中，感應加熱熱處理技術已經(jīng)在核電設備中成熟應用，然而由于石化設備結構的復雜性，結構超尺寸、材料種類的多樣性，以及熱處理溫度跨度廣等原因在石化應用中還未推廣，亟需建立相關的標準規(guī)范。標準編制原則和主要內(nèi)容4.1標準編制原則（1）政策性：本文件的制定符合國家現(xiàn)行有關法律、法規(guī)和政策要求。（2）原則性：本文件有利于促進我國重大承壓裝備的高可靠長壽命制造，有利于提高我國在國內(nèi)外裝備制造的競爭力。（3）前瞻性：感應加熱技術由于其高效、環(huán)保、節(jié)能的特點，在工業(yè)應用中具有很好的發(fā)展?jié)摿Γ瑢⒂型〈鷤鹘y(tǒng)加熱方式，是一場工業(yè)熱處理革命性的事件。目前，感應加熱熱處理技術已經(jīng)在核電設備中成熟應用。然而由于石化設備結構的復雜性，結構超尺寸、材料種類的多樣性，以及熱處理溫度跨度廣等原因在石化應用中還未推廣應用。4實用性：本文件主要用于指導感應加熱熱處理技術的實施。包括感應加熱系統(tǒng)、感應加熱工藝、溫度測量與溫度控制方法等具有較強的實用性。5GB/T1.1—20201標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定，文字表達力求準確簡明，內(nèi)容嚴謹合理。6緊迫性：重大承壓設備的大型化，局部熱處理消除殘余應力亟需開發(fā)先進的加熱方式。一方面為了實現(xiàn)節(jié)能減排，另一方面為了提高我國承壓設備的安全服役。因此，亟需提出適合我國國情的感應加熱技術國家標準。7重要性：目前國內(nèi)外標準均未解決承壓設備局部熱處理的關鍵問題，為了提升我國承壓設備的制造質(zhì)量，亟需編寫適合我國國情的感應加熱熱處理標準。4.2主要內(nèi)容當前，壓力容器向大型化方向發(fā)展，焊接制造過程中不可避免產(chǎn)生焊接殘余應力。國內(nèi)外標準均要求采用熱處理的方法來消除焊接殘余應力。由于受到直徑和長度的限制，無法進行整體熱處理，只能采用分段組焊、分段熱處理、整體組裝進行制造。而整體組裝過程中會產(chǎn)生合攏焊縫，只能進行局部熱處理。加氫反應器、超限塔器的直徑、壁厚數(shù)值越大，其處理能力就越強。在2007年，國外制造的重型加氫反應器最大外徑就已達到5894mm，壁厚347mm，目前我國最大加氫反應器外徑6517mm，壁厚352mm。對于超大直徑超壁厚的此類容器，采用常規(guī)的加熱方式如火焰加熱、履帶式陶瓷片加熱，要到達標準規(guī)范推薦的局部熱處理均溫性要求是比較困難的，亟需開發(fā)先進的加熱方式。針對超大直徑、超壁厚容器局部加熱難以實現(xiàn)均溫性的難題，本標準規(guī)定了感應加熱熱處理技術。通過感應加熱均溫性試驗發(fā)現(xiàn)，加熱厚度為268mm的厚板在感應加熱過程中保溫階段，溫差可以控制在14℃，滿足相關標準和設計文件要求。感應加熱技術一方面實現(xiàn)局部加熱精準控溫。另一方面，可以實現(xiàn)超壁厚容器的熱處理，相關技術以進行試驗并進行現(xiàn)場應用?；诖?，制訂承壓設備感應加熱熱處理國家標準，對于提升我國重大承壓設備制造的綜合競爭力，意義重大且會形成十分深遠的影響。在標準制定過程中，對國內(nèi)外熱處理標準進行了廣泛而充分的調(diào)研，同時結合深入的感應加熱理論研究及裝備研發(fā)等關鍵技術，根據(jù)多年來局部熱處理在石化、核電、火電等領域上現(xiàn)場積累的問題、經(jīng)驗和反饋，對標準進行了編寫。本說明是對標準部分內(nèi)容的說明或解釋，而非標準內(nèi)容，僅為標準使用者提供參考、建議或指導。本標準文件主要內(nèi)容包括以下四大塊內(nèi)容：（1）感應加熱熱處理涉及的相關術語，包括感應加熱的定義、焊前預熱和層間加熱、后熱、消氫等；（2）感應加熱系統(tǒng)；（3）感應加熱工藝；（4）溫度測量與溫度控制。1、范圍本文件規(guī)定了承壓設備感應加熱熱處理的術語和定義、感應加熱系統(tǒng)（感應電源、感應器、測溫設備及保溫毯）、感應加熱工藝、溫度測量與溫度控制方法、感應加熱熱處理文件。本文件規(guī)定的感應加熱熱處理主要包括焊前預熱、后熱、消氫（DHT）、中間消應力熱處理（ISR）、焊后熱處理（PWHT）、穩(wěn)定化熱處理。本文件適用于石油化工、煤化工、核電、火電等行業(yè)的承壓設備感應加熱熱處理。2、術語和定義在術語及定義中，借鑒了國外標準相關標準，明確了感應加熱局部熱處理術語及相關的術語，主要包括：感應加熱的定義、焊前預熱和層間加熱、后熱、消氫。3、通用規(guī)定相關內(nèi)容主要參考GB/T30583《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》。（1）文件部分，感應加熱熱處理除應遵守本標準外，還應符合產(chǎn)品標準、設計文件與合同的要求。（2）人員部分，焊后熱處理人員應接受必要的培訓，能閱讀、理解和執(zhí)行熱處理工藝文件，如調(diào)節(jié)程序、安裝熱電偶、測溫計量儀表維護等。（3）適用于感應加熱的金屬材料，主要包括碳鋼、低合金鋼、不銹鋼；鉻鉬鋼、加礬鋼。（4）感應加熱用金屬材料及焊接材料的居里溫度點應滿足如下規(guī)定：a）常見材料如碳鋼、低合金鋼的居里溫度點應低于熱處理溫度以下，通過磁滯熱效應和渦流熱效應進行加熱；b）不銹鋼穩(wěn)定化熱處理及固溶處理，通過渦流熱效應進行加熱。（5）對進行感應加熱金屬材料及焊接接頭內(nèi)外缺陷的限制：a）進行預熱時，應確保坡口表面清潔；b）金屬焊接件應焊接牢固，焊縫應均勻、平整，不得有焊瘤、飛濺、氣孔、夾渣、裂紋及虛焊等缺陷；c）熱處理前應確保無損檢測結果合理。（6）使用環(huán)境，a）海拔高度：不超過1000米；b）環(huán)境溫度：-20~50℃（40-50℃降額使用）；c）最大相對濕度：95%，不凝結；d）地震列度＜VII；e）無導電塵埃、化學腐蝕氣體及爆炸危險的場所。（7）感應加熱裝置的基本參數(shù)如輸入電壓、電網(wǎng)電壓適應范圍、額定輸出功率、輸出電流等進行了規(guī)定。4、感應加熱系統(tǒng)感應加熱系統(tǒng)主要包括感應電源、感應器、測溫設備及保溫毯。感應加熱的設備包括感應電源、感應加熱電纜。（1）一般要求感應加熱裝置應滿足工藝要求，安全可靠、節(jié)能環(huán)保。感應加熱裝置的設計和制造應符合標準的有關規(guī)定。檢驗規(guī)則主要包括合格文件、檢驗分類及出廠檢驗。（2）感應電源感應電源是產(chǎn)生交變電流的關鍵設備，實現(xiàn)溫度控制、電源功率的輸出。除此之外，感應電源的安全也至關重要。首先，此部分針對感應電源要實現(xiàn)感應加熱，規(guī)定所必須的功能。具體如下：a）感應電源的輸出功率和頻率能自動諧振跟蹤（恒溫閉環(huán)功能），并符合工藝要求；b）感應電源應具備溫度測量和溫度升降速率控制功能，能夠進行溫度自動記錄，并進行全過程自動控制；c）感應電源應具備內(nèi)置輸出回路（包括感應器/感應電纜、延長電纜/銅排）絕緣電阻在線監(jiān)測功能（即輸出回路漏電檢測功能），可設置絕緣電阻報警/保護值，當設備檢測到絕緣電阻低于報警值時，設備應立即切斷輸出，停止加熱，并進行聲光報警和報警信息顯示，在排除故障后電源才可使用；d）感應電源應具有工作頻率快速自動跟蹤技術。當更換感應加熱器、感應線圈匝數(shù)或負載變化時，在不進行參數(shù)調(diào)整的條件下，感應電源應自動快速跟蹤諧振頻率，保證電源始終工作在最佳工作頻率；e）感應電源應具有負載開路、短路、諧振過流、直流過壓、諧振過壓、過溫、缺相、單元平衡、電抗超限保護功能等異常狀態(tài)聲光報警。在出現(xiàn)異常狀態(tài)聲光報警時，感應加熱電源在屏幕上同步顯示報警信息，同時應立即切斷電源的輸出；f）感應電源應具有電流衰減退磁功能，不應在焊件上留下剩磁。其次，對變頻裝置、電氣安全性能進行了規(guī)定。最后，對感應電源所滿足的功能及相關試驗進行了規(guī)定，主要包括外觀質(zhì)量檢驗、內(nèi)部電路檢驗、出廠檢驗感應器電氣性能試驗、感應加熱恒溫度模式試驗、感應加熱恒功率模式試驗、感應加熱恒電流模式試驗、保護功能試驗、電氣安全試驗、功率因數(shù)測定、電網(wǎng)電壓適應范圍等。（3）感應器感應器是加熱工件的關鍵設備，目前主要包括銅管感應器和感應電纜兩類。銅管感應器加熱溫度較高，但是應根據(jù)其使用要求絕緣，以保證具有規(guī)定的絕緣性和使用期限。感應電纜是目前應用比較廣泛的感應器，適用于不同工件，也可以做成不同的感應加熱工裝。感應電纜可采用空冷耐高溫合金電纜或水冷加熱電纜。其中空冷耐高溫合金電纜其普通工況可長時間耐溫450℃，水冷加熱電纜的保溫隔熱毯溫度不得高于200℃。（4）溫度測量設備溫度測量主要采用熱電偶。溫度測量是實現(xiàn)熱處理工藝的關鍵，也是確保熱處理效果的保證。本部分對熱電偶的選擇、固定及連線進行了相應規(guī)定。對于中頻感應加熱所采用的熱電偶進行了特殊說明，如下：采用中頻感應加熱推薦選用金屬絲編織屏蔽套的熱電偶或K型熱電偶，但需要在感應電纜范圍內(nèi)的熱電偶線增加金屬絲編織的屏蔽套，用來屏蔽感應加熱過程中電纜線圈所產(chǎn)生的電磁場，保證熱電偶的溫度測量精度。（5）保溫毯為了保證局部熱處理效果，通常采用保溫棉對所加熱的范圍進行保溫。由于感應加熱時，先敷設保溫棉，再纏繞感應電纜。感應電纜與工件之間的距離太近，對保溫棉的保溫效果較高；距離太遠，加熱效果不好。為此，對感應加熱的保溫毯進行了相關規(guī)定。保溫毯應按感應加熱的熱處理溫度和耐溫溫度的要求進行選擇；保溫毯宜采用內(nèi)外兩層為玻璃纖維織物、中間層為陶瓷纖維棉或納米氣凝膠耐高溫材料的復合結構；保溫毯可為較厚的一層，也可為多層疊合（單層較薄）。5、感應加熱工藝熱處理工藝、溫度測量設備及其保溫毯的相關規(guī)定，是確保實現(xiàn)相應熱處理工藝的關鍵，也是確保熱處理過程的可控及熱處理效果的可靠。感應加熱技術具有清潔、高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢，在國內(nèi)核電、風電、船舶、航空、化工裝備等有著廣泛的現(xiàn)場應用，目前在承壓設備的局部熱處理應用越來越成熟。中頻感應加熱是目前實現(xiàn)超壁厚熱處理的一種加熱方式。（1）通用要求感應加熱工藝（預熱、后熱、消氫、中間消應力熱處理、穩(wěn)定化熱處理）的升降溫速率、保溫溫度和時間等要求，由GB/T150、GB/T30583、NB/T47014和設計文件等來確定。（2）熱工計算及加熱寬度的確定目前，國內(nèi)外標準均沒有熱工計算的相關規(guī)定，熱工計算是確保熱處理順利進行的保障。針對感應加熱熱處理，熱工計算是進行感應加熱電源功率選擇的重要依據(jù)。感應加熱熱處理熱工計算應符合下列規(guī)定：根據(jù)設計文件確定加熱范圍、加熱的最高溫度；通過熱量公式計算所需要的熱量，選擇相應的感應加熱電源。除此之外，焊后熱處理的加熱帶寬度及隔熱帶寬度的確定也是至關重要的，本文件進行如下規(guī)定：a）當δPWHT≤50mm時，加熱帶寬度為HB＝7nhk（1＜n＜3)，隔熱帶寬度為GCB＝HB＋2a；b）對于δPWHT＞50mm，感應電纜的纏繞寬度為HB＝(6～8)m·δPWHT(1＜m＜3)，隔熱帶的寬度為GCB＝(2～3)HB。（3）保溫毯的選擇及其鋪設為了保證局部熱處理效果，對中頻感應加熱的保溫材料進行了相關的規(guī)定。保溫的作用主要是減少散熱，保溫隔熱。中頻感應加熱進行保溫，一方面是為了減少散熱，另一方面是為了保護感應電纜。相關規(guī)定的主要目的主要是為了提高溫度均勻性。（4）感應器的敷設感應電纜的纏繞可以熱處理所需要的工藝。主要包括感應電纜的方式和調(diào)節(jié)方式，相關規(guī)定具有成熟的工程應用。相關技術資料數(shù)據(jù)主要由青島海越科技有限公司提供。根據(jù)熱處理溫度的不同，分為預熱和層間加熱、消氫、中間熱處理及焊后熱處理，對感應電纜及相關的工裝進行了相關規(guī)定。首先，是通用規(guī)定：中頻感應加熱時，感應線圈的表面與工件表面的間隙為10mm～80mm；電纜的匝間距離應根據(jù)焊件的壁厚、材質(zhì)、熱處理工藝要求、擬訂的加熱寬度確定；感應電纜安裝時，應避免匝間短路。然后，對進行預熱和層間加熱的筒體對接環(huán)焊縫及接管與筒體的對接焊接接頭進行相關規(guī)定最后，對消氫、中間熱處理及焊后熱處理進行相關規(guī)定。上述相關規(guī)定都是通過大量試驗總結出來的。6、溫度測量與溫度控制局部熱處理過程中，測溫的準確性、均溫帶溫度的均勻性是保證局部熱處理效果的關鍵。針對中頻感應加熱，為了確保均溫帶滿足要求及精準控溫，從測溫熱電偶的固定、保溫毯的鋪設、電纜纏繞、控溫方法等進行相關的優(yōu)化，確保局部熱處理效果。7、感應加熱熱處理工藝卡焊后熱處理文件主要包括焊后熱處理報告和焊后熱處理技術文件。焊后熱處理報告記錄了所熱處理容器關于本文件規(guī)定關鍵工藝、設備、熱處理曲線等信息。焊后熱處理技術文件包括與焊接工藝評定參數(shù)相適應的現(xiàn)場熱處理作業(yè)指導書或工藝卡，應具有現(xiàn)場焊后熱處理操作記錄、焊接熱處理工作統(tǒng)計表。主要試驗（或驗證）情況分析5.1中頻感應加熱在加氫反應器上的應用某臺加氫精制反應器筒體內(nèi)徑Φ5800mm、壁厚304mm+8mm，其中304mm厚為低合金鋼母材，材質(zhì)21/4Cr-1Mo-1/4V鋼，內(nèi)表面堆焊8mm厚E309L+E347不銹鋼，筒體分段之間的合攏環(huán)焊縫采用主副感應加熱局部熱處理方法，熱處理工藝曲線如圖1所示。筒體內(nèi)外壁表面點焊熱電偶，并敷設保溫毯。圖1局部熱處理工藝及環(huán)縫附偶圖經(jīng)熱工計算，采用5臺200KW加熱電源，每臺電源采用3根70m耐高溫感應電纜并排纏繞3圈，共纏繞45圈，電纜之間間隔40~50mm。電纜纏繞區(qū)包括主加熱區(qū)和副加熱區(qū)。其中，副加熱區(qū)中心位置距焊縫中心1300mm（焊縫兩側(cè)），副加熱區(qū)加熱寬度約500mm，相關尺寸見圖2。圖2筒體內(nèi)外保溫及感應電纜纏繞示意圖檢測各種連接線，電源開機，選用恒功率模式或工藝模式，將輸出功率或溫度曲線輸入到控制面板，接通電源開始升溫加熱。當主加熱區(qū)完成加熱后，工件溫度降至100℃以下，將主加熱區(qū)4臺200KW加熱電源（每側(cè)焊縫采用2臺200KW加熱電源）分別接入焊縫兩側(cè)副加熱區(qū)的感應加熱電纜，開始加熱升溫至200~300℃后，保溫30分鐘，停止加熱自然冷卻。熱處理過程中筒體環(huán)縫內(nèi)外壁熱電偶的溫度隨時間的變化如圖3所示。從圖中可以看出，不同方位的點在感應加熱過程中的升溫趨勢一致。在保溫階段，均溫區(qū)溫度分布均勻，最大溫差在5℃以內(nèi)，滿足局部熱處理的均溫帶要求。圖3筒體焊縫熱處理溫度-時間圖（a）外壁（b）內(nèi)壁5.2中頻感應加熱復合板均溫性實驗復合板（1005×1010×87.5mm），其中復合板碳鋼層厚82mm，鈦層5.5mm。如圖4所示，復合板平放在耐火磚上，碳鋼側(cè)（正面）朝上。在焊縫正面和背面中心分別點焊熱電偶，復合板正面包裹60mm厚的陶瓷纖維保溫毯。（a）實驗設備布置（b）測溫熱電偶布置圖圖4復合板焊后熱處理布置圖由于復合板是平放的平板，無法以圓周纏繞的方式繞制電纜。因此采用了以焊道為左右對稱中心，盤繞螺線型感應加熱線圈的方式。一根電纜共同繞制了12圈。鎧裝熱電偶是在電纜盤繞結束后插入的，而且從電纜的匝間隙間穿過保溫毯，最后的電纜盤繞稍顯雜亂（圖4b所示）。測溫熱電偶采用普通K型熱電偶絲和不銹鋼鎧裝K型熱電偶。在復合板的正面和背面兩側(cè)焊道中心點焊了2支熱電偶絲。熱電偶在復合板正面的編號、分布及位置如圖5所示。在正面焊縫中心線上布置了1-6#測溫點，焊縫外側(cè)布置了7-11#測溫點。在復合板的背面焊縫中心處布置了12#測溫點。電纜接入感應加熱電源，測溫線接入長圖記錄儀。圖5測溫熱電偶編號及布置圖復合板正背面焊道中心溫度隨時間的變化曲線如圖6所示，其中6#是復合板正面的溫度，12#是復合板背面的溫度。從圖中可以看出，在室溫至290℃的升溫階段，復合板正面的溫度一直比背面的溫度高，最大溫差為加熱第15分鐘時的13.7℃。這是因為感應加熱的熱源產(chǎn)生于被加熱工件表面以下10mm的范圍內(nèi)，熱量從復合板正面?zhèn)鲗У奖趁嫘枰欢ǖ臅r間。在290℃到560℃的升溫階段也呈現(xiàn)出這一規(guī)律，這一階段復合板正面和背面焊道的最大溫差縮減到4.7℃。通常加熱速度越慢，壁厚越小，加熱側(cè)和背側(cè)的溫差越小。在290和560℃兩個保溫階段，復合板背面的溫度反而比正面溫度高，最大溫差為11.6℃，長時間保溫后這個溫度進一步降低到3℃。這是由于保溫階段復合板背面保溫效果較好，熱量由正面向背面?zhèn)鬟f存在熱慣性，而且正面陶瓷纖維毯有穿孔，保溫效果稍差，散熱能力比背面大造成的。在保溫階段，電源根據(jù)工件的溫度反饋形成溫度閉環(huán)控制，電源的啟停是間歇的，從而有助于工件在保溫階段各區(qū)域的溫度分布均勻。圖6復合板正背面的溫度曲線熱處理過程中復合板正面焊道中心不同深度點的溫度隨時間的變化如圖7所示。從圖中可以看出，焊道中心不同深度的點在感應加熱過程中的升溫趨勢一致。在加熱階段靠近復合板正面的溫度高；而在保溫階段，靠近背面的溫度高。圖7復合板正面焊道中心不同深度點的溫度隨時間的變化曲線熱處理過程中復合板正面焊道中心點的溫度隨深度的變化曲線如圖8所示。從圖中可以看出，在不同時刻焊道中心從表面到70mm深度的不同點的溫度差異不大，總體呈現(xiàn)升溫階段從復合板表面向內(nèi)部溫度逐漸升高，在保溫階段復合板表面和內(nèi)部溫度基本一致或者從表面向內(nèi)部溫度漸降。在整個熱處理過程中，焊道表面點（6#）與深70mm點（1#）最大溫差為17.4℃。無論是升溫還是保溫階段，總的熱傳導趨勢是從工件表面向內(nèi)部傳導，也就是熱量從表面向背面?zhèn)鬟f。但在不同的階段，工件的厚度方向上熱的傳導方向是不斷變化的，取決于兩側(cè)的保溫或散熱條件，以及電源的輸出功率大小。圖8不同時刻正面焊道中心點的溫度隨深度的變化曲線圖9為焊道中心（1#）和焊道側(cè)面（7#）深70mm的點溫度隨時間的變化，這兩個點之間的距離為100mm。從圖中可以看出，熱處理過程中二者的升溫趨勢相同。在升溫階段的最大溫差為6.4℃，保溫階段的最大溫差為17.3℃（該數(shù)據(jù)存疑，從圖中可以看出7#在第615min的溫度升高很突然）。5#和11#的升溫區(qū)域與此類似，二者在整個熱處理過程中的最大溫差為第525min時的6.4℃，在此也不再詳述。由于加熱線圈的盤繞區(qū)域把這些點都覆蓋在內(nèi)，這些點都在均溫區(qū)內(nèi)，均溫區(qū)內(nèi)的溫度在復合板平面及深度方向的分布相對均勻。圖9焊道中心（1#）與焊道側(cè)面（7#）點的溫度曲線5.3馬鞍形厚板感應加熱均溫性試驗采用馬鞍形厚板進行感應加熱試驗。馬鞍形厚板材質(zhì)為Q345R，直徑為2900mm，厚度為220mm，如圖10所示。馬鞍形厚板感應加熱的熱處理工藝要求為：將馬鞍形厚板由室溫加熱至705±14℃，保溫4小時。升溫速度要求滿足300℃以下升溫速度≤100℃/小時，300℃以上升溫速度≤55℃/小時。圖10馬鞍形厚板熱電偶采用普通K型熱電偶絲和不銹鋼鎧裝K型熱電偶。為了研究感應加熱過程中沿厚度方向溫度的分布規(guī)律，在馬鞍形試板中心位置鉆不能深度的孔，采用不銹鋼鎧裝K型熱電偶進行測溫，鉆孔位置如圖11所示。研究不同厚度方向溫度分布測溫熱電偶的編號為C1-C10，相對應測溫點的深度如圖11（b）所示。其中，C1-C5、C6-C10的間距為40mm。感應加熱電源的控溫熱電偶分別布置在C1與C6、C3與C8及C5與C10中間位置的外壁及對應的內(nèi)壁，相對應熱電偶的編號分別為C11和C12、C13和C14及C15和C16。圖11感應加熱測溫熱電偶與控溫熱電偶的布置位置（a）和不同深度的測溫點（b）馬鞍形厚板內(nèi)外壁分別進行保溫，保溫層的形狀和尺寸根據(jù)工件實際尺寸確定。外壁保溫面積直徑2900mm，保溫厚度50mm。內(nèi)壁直徑2900mm保溫層厚為100mm。根據(jù)馬鞍形厚板感應加熱均溫性試驗的工藝要求，經(jīng)熱工計算采用160或240KW中頻感應加熱電源1臺。采用2根85米120mm2的耐高溫合金電纜，并聯(lián)盤繞在工件外壁進行感應加熱，電纜盤繞如圖12所示。檢測接線及熱電偶，感應電源開機，選用恒功率模式或工藝模式，將輸出功率或溫度曲線輸入到控制面板，接通電源開始對馬鞍形厚板進行感應加熱。圖12電纜盤繞現(xiàn)場圖感應加熱電源功率隨時間的變化曲線如圖13所示。從圖中可以看出，整個感應加熱過程中電源的功率在30~80KW變化，平均功率為50KW。在0.5h、7.5h及17.5h的瞬時輸出功率出現(xiàn)峰值，分別為72KW，110KW和130KW。試驗中感應加熱電源功率為160KW，能夠滿足感應加熱要求。感應加熱電源的輸出功率與熱處理工藝相匹配。升溫過程中，感應電源的輸出功率增大；均溫過程中，感應電源的輸出功率會降低。在感應加熱26h之前，感應加熱功率出現(xiàn)了規(guī)律性波動。在保溫過程中，感應電源的輸出功率為恒值，約為30KW。圖13感應加熱電源功率隨時間的變化曲線以馬鞍形厚板控溫熱電偶C13和C14為例，圖14給出了C13和C14熱電偶溫度及最大溫差隨時間變化的曲線。其中C13是馬鞍形厚板正面的測溫熱電偶，位于感應電纜下方，C14是馬鞍形厚板背面的測溫熱電偶。從圖中可以看出，從室溫至705℃的升溫階段，馬鞍形厚板的正面溫度一直比背面的溫度高，最大溫差為加熱第7.5h時的17℃。這是因為感應加熱的熱源產(chǎn)生于被加熱工件表面以下10mm的范圍內(nèi)，熱量從馬鞍形厚板正面?zhèn)鲗У奖趁嫘枰欢ǖ臅r間。在整個感應加熱階段，最大溫差在6~17℃之間。在705℃的保溫階段，馬鞍形厚板的背面溫度與正面溫度最大溫差為11.3℃。電源根據(jù)工件的溫度反饋形成溫度閉環(huán)控制，電源的啟停是間歇的，從而有助于工件在保溫階段各區(qū)域的溫度分布均勻。圖14馬鞍形厚板控溫熱電偶C13和C14的隨時間變化的溫度曲線圖15為感應加熱過程中馬鞍形厚板不同深度測溫點溫度隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，不同深度的測溫點在感應加熱過程中的升溫趨勢一致。在保溫階段，C7-200的溫度最高，C10-20的溫度最低。由于C7-200接近馬鞍形厚板布置感應電纜的正面，溫度較高，熱量由正面向背面?zhèn)鬟f，C10-20溫度降低。兩者最大溫差為14.4℃，能夠滿足超厚板局部熱處理均溫性的要求。圖15馬鞍形厚板不同深度測溫點溫度隨時間的變化曲線圖16為感應加熱過程中不同時刻馬鞍形厚板不同深度的測溫點隨時間變化的溫度曲線。從圖中可以看出，不同時刻從表面到218mm深度的不同測溫點的溫度差異不大。在整個感應加熱過程中，馬鞍形厚板的背面溫度稍高于正面溫度，總體呈現(xiàn)從馬鞍形厚板的表面向內(nèi)部溫度逐漸升高。熱傳導趨勢是從工件表面向內(nèi)部傳導，也就是熱量從表面向背面?zhèn)鬟f。但在不同的階段，工件的厚度方向上熱量傳導方向是不斷變化的，取決于兩側(cè)的保溫或散熱條件以及電源的輸出功率大小。距馬鞍形厚板正面距離為8mm即深度為210mm的測溫點，在不同時刻工件的表層溫度最高，為感應加熱的發(fā)熱層。越接近表面，由于保溫及散熱的影響，溫度稍有所降低。由于熱量由正面向背面?zhèn)鬟f過程中存在熱慣性，使得背面的溫度較正面溫度有所偏高。整體而言，感應加熱區(qū)域的溫度均勻性較好。圖16不同時刻馬鞍形厚板不同深度的測溫點隨時間變化的溫度曲線超厚板感應加熱均溫性實驗結果表明，從單側(cè)進行感應加熱，在整個工件厚度截面加熱過程中溫差控制18℃以內(nèi)，尤其是淺表面感應渦電流集中區(qū)域無明顯溫度突變區(qū)域。5.3加氫反應器筒體合攏縫感應加熱局部熱處理可行性驗證筒體合攏縫感應加熱局部熱處理所采用的工件為某項目加氫反應器上封頭所連接的筒體，筒體的材質(zhì)為12Cr2Mo1VⅣ，壁厚為268mm，內(nèi)徑為φ4500mm。感應加熱的焊縫在筒體1B環(huán)縫上進行，該段筒體焊縫位置及尺寸如圖17所示。圖17感應加熱筒體焊縫位置及尺寸加氫反應器筒體合攏縫局部熱處理的保溫溫度為705℃±14℃，保溫時間為5小時。300℃以下不要求控制升降溫速率，300℃以上升降溫速率≦55℃/小時。焊后熱處理工藝曲線圖如圖18所示。圖18加氫反應器筒體合攏縫最終焊后熱處理工藝曲線圖為了研究筒體軸向不同距離的感應加熱過程中溫度分布規(guī)律，以筒體焊縫1B中點位置為起點，在筒體不同方位（12點鐘、3點鐘及6點鐘）的內(nèi)外壁點焊熱電偶。采用K型測溫熱電偶，共40個測溫點，內(nèi)壁外壁分別20個，熱電偶的布置示意圖如圖19所示。內(nèi)外壁熱電偶布置位置相對應。外壁熱電偶編號（C01、C02、C03），內(nèi)壁熱電偶編號（C01’、C02’、C03’）。其中C01、C02、C10、C11、C12、C13（內(nèi)外壁共12個測溫點），需達到熱處理溫度和溫差要求。圖19筒體感應加熱測控溫熱電偶布置筒體外壁以焊縫為中心，左右兩側(cè)對稱布置保溫棉，其寬度約2500mm，保溫厚度50mm，保溫總寬度約5000mm。保溫層纏繞時采用逐層搭接的方式，搭接寬度約100-200mm，搭接厚度不超過50mm。筒體內(nèi)壁敷設100mm厚保溫棉，保溫寬度約5000mm。內(nèi)壁保溫棉通過內(nèi)壁焊接固定框架固定。根據(jù)筒體合攏縫感應加熱局部熱處理的工藝要求，經(jīng)熱工計算，采用4臺200kW感應加熱電源，熱處理時每臺電源配置4根120mm2耐高溫合金電纜纏繞于筒體進行加熱。每根電纜長60米，每臺電源采用4根耐高溫感應電纜并排纏繞3圈。電纜纏繞以焊縫為中心，共纏繞48匝。電纜覆蓋在工件外壁面的總寬度約為2200mm，如圖20所示。圖20筒體感應加熱保溫及電纜布置圖21為感應加熱電源功率隨時間的變化曲線。筒體合攏縫感應加熱采用4臺200KW的感應電源。從圖中可以看出，整個熱處理過程中電源的輸出頻率隨時間的變化規(guī)律基本一致。1號電源和4號電源、2號電源和3號電源由于采用同步同頻技術，電源輸出頻率變化規(guī)律一致。在升溫階段，4臺感應電源的總輸出功率較大，輸出功率最大可以達到466KW，平均功率為260KW?？梢姡捎?臺200KW的感應電源能夠?qū)崿F(xiàn)此筒體的感應加熱。接近保溫階段時，感應電源的輸出功率快速下降，導致總功率下降，從而避免超溫。在保溫階段，功率先降低然后保持恒定，電源輸出總功率為150KW。在降溫階段，感應電源的輸出功率急劇下降，恒定為0KW。圖21感應加熱電源功率隨時間的變化曲線圖22為筒體合攏縫12點鐘方位焊縫中心及距焊縫中心65mm處內(nèi)外壁溫度及最大溫差隨時間變化的溫度曲線。從圖22（a）中可以看出，在感應加熱及保溫階段，筒體的外表面溫度一直高于內(nèi)表面溫度。由于筒體壁厚達268mm，感應加熱的熱源產(chǎn)生于被加熱工件表面以下10mm的范圍內(nèi)，熱量從筒體板外表面向內(nèi)表面?zhèn)鲗?，同時也是向軸向方向進行散熱。在降溫階段，筒體的外表面溫度一直低于內(nèi)表面溫度。這是因為外壁要減少感應電纜與工件的距離，保溫棉僅為50mm，內(nèi)壁保溫棉較厚，為100mm。內(nèi)壁散熱相比外壁小。從圖22（b）中可以看出，12點鐘方位的焊縫中心及距焊縫中心65mm處內(nèi)外壁最大溫差，在整個感應加熱過程中變化規(guī)律類似，最大溫差為加熱7.5h時，溫差為32.5℃。在加熱階段，焊縫中心的最大溫差整體上小于距焊縫中心65mm處的溫差。在保溫階段，焊縫位置的最大溫差在8℃以內(nèi)，距焊縫中心65mm處的最大溫差在12℃以內(nèi)。在降溫階段，焊縫中心的最大溫差整體上大于距焊縫中心65mm處的溫差，最大相差8℃。整個感應加熱過程中的最大溫差遠小于加氫反應器局部熱處理過程中的設計要求的最大80℃的溫差。圖22筒體合攏縫12點鐘方位焊縫中心及距焊縫中心65mm處內(nèi)外壁溫度（a）和最大溫差（b）隨時間變化的溫度曲線圖23為筒體合攏縫6點鐘方位焊縫中心及距焊縫中心65mm處內(nèi)外壁溫度和最大溫差的隨時間變化的溫度曲線。從圖15中可以看出，在感應加熱過程中，6點鐘位置的溫度、最大溫差曲線與12點鐘的規(guī)律類似。在7.9h至24.5h之間，由于6點鐘方位焊縫中心內(nèi)表面熱電偶（C1，-6）溫度記錄異常，分布規(guī)律與距焊縫中心65m