大型压力容器的现场热处理 2004 年 第 2 期
大型压力容器的现场热处理
俞松柏 机械制造厂
摘要：通过热工分析计算和合理的工装设计，有效地制定了大型压力容器现场焊后热处理这一较复杂的施工工艺，在焦炭塔等塔设备的热处理施工实际应用中，取得了良好的工艺效果。
关键词：现场热处理 热工计算 工装设计
1前言
压力容器的焊后热处理，作为一项保证其制造质量的关键工艺，有着相当重要的地位。它不仅可以消除或降低横向和纵向残余应力、改善焊接热影响区和焊缝金属的显微组织，还可以减少焊接接头延迟裂纹和断裂的发生、延长设备的使用寿命。一般地，结构不太大的压力容器可采用炉内整体热处理。随着石油化工装置加工能力的扩大，塔体结构设计随之大型化，一些超大直经和（或）超长的压力容器如焦碳塔（主材15CrMoR、规格Dn6400～8800×26～40）、吸附塔（主材16MnR、规格Dn7200×60）等，由于受热处理炉尺寸的限制，只能进行现场整体和（或）局部热处理。
2现场热处理施工工艺设计
以往压力容器的现场整体和局部热处理,采用在容器焊缝上设置绳式或履带式电加热器进行加热，外敷保温材料，用温控仪显示加热温度和调温。其缺点是温度场不均匀、温度升降控制不均、局部部位加热器损坏无法发现和更换，而且随着温度升高加热器本身发生松弛而脱离筒体进而无法达到热处理所要求的温度。因此用这种方法进行热处理，地方压力容器监检部门对其结果持否定态度。为满足镇海炼化延迟焦化和PX、高桥石化延迟焦化等扩建和新建装置大型塔设备热处理的需要，我厂和吴江电热电器厂等热处理专业单位合作，根据容器的材料结构特点、热处理工艺要求和现场条件，从工艺计算、操作方法、工装设计等做了较大的改进和提高。
2.1现场整体热处理
设置一12边形、上下二段可拆式热处理炉。炉盖和炉壁采用硅酸铝纤维保温；炉壁和炉底设置足够数量的框架式加热器，利用热辐射和热空气对流原理使容器达到均匀加热的目的；炉膛内和工件上设置一定数量的测温热电偶，用电脑温控仪进行多点显示、自动修正功率系数并自动记录温度曲线。
2.2现场局部热处理和预后热
环焊缝的局部热处理和预后热。将特制的高温磁铁式电加热器直接吸附于环焊接头外侧，铠装热电偶设置于焊缝的内外侧合理位置，内外均敷设足够厚度和宽度的保温层，并由电脑温控仪控温并记录，从而达到消应力热处理和预后热的目的。
为满足环缝自动焊需要，在电加热器上设置支架并固定微型滚珠轴承，使得壳体转动时电加热器不动，从而达到预热的目的。
3热工分析及计算
热工分析及计算是制定热处理工艺方案的前提。制定热处理工艺参数（如加热所需功率、保温宽度和厚度等）之前，需进行准确的热工分析和计算。
3.1整体热处理
对于分段热处理来说，整体是一个一维非稳态导热过程，利用热辐射和热空气对流使炉内容器达到均匀加热的目的，炉体保温层为变热流作用下的非稳态导热过程，但加热升温后，能在较短时间内达到稳定传热，可近似按稳态传热进行
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热工计算。由于壁厚远小于直径，可按平板处理。
（1）容器的吸热量
Q1=Qd+Qf=G×Ci×（ti-ti-1）
Qd:对流传热量；
Qf：辐射传热量；
Ci：钢在不同温度区域的平均比热kJ/（Kg·℃），ti=100～600℃，Ci=0.466～0.565kJ/（Kg·℃）；
G：被加热工件质量Kg；
ti：加热过程中，不同温度区域加热终了的温度，一般分50～100℃为一个区域。
（2）炉衬材料的吸热量
Q2=(V1×γ1×C1+V2×γ2×C2)×0.59(tl+td)
V1，2：内外二层炉衬材料的体积m3；
γ1，2:内外二层炉衬材料的容重Kg/m3,内层硅酸铝纤维γ1=128 Kg/m3，外层超细玻璃棉γ2=60 Kg/m3；
C1，2：内外二层炉衬材料的比热， C1，2=1.013+0.075×10-6t2kJ/(Kg·℃)；
3.2局部热处理
tl：炉温；
td：炉衬界面温度，达到热平衡状态时，可用一维稳态导热法计算。
（3）炉体散热损失
Q3=Fassttl×++−Σ∞12211λλ或Q3=α×（tb- t∞）×F
aΣ:炉体外表对外的综合传热系数aΣ≈18～20W/（m2·℃）；
S1、S2：分别为两种材料的炉衬厚度，一般内层S1=0.05～0.06m,外层S2=0.1m；
λ1、λ2：炉衬材料的热导率λ=0.054+0.272×10-6tlW/（m·℃）；
α：传热系数，α=9.3+0.06tb W/（m2·℃）；
tb：炉体外表面温度，一般设定tb≤60℃（代入时无量纲）；
F：炉体外表面面积 m2。
（4）其它热量损失Q4
考虑炉体钢架、加热器本身的发热损失，约为总热量的20～25%。
局部热处理传热过程是一个十分复杂的二维非稳态传热过程，可调参数多，边界条件较难确定。传热模型如图1所示：
QAX+QAS
QBX+QBS
Q
Q0
A B QB
QB
Q0=QA+QB′+QAX+QAS
QB′=QB+QBX+QBS
t℃
QB′
A区温度变化
QA
B区温度变化
QAX+QAS
QBX+QBS
x
x(mm)
h小时
图1 局部热处理传热过程
图2 局部热处理数理模型 19
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设焊接接头及附近加热时，两侧处于绝热状态，即加热区和导热区与外界无热交换。并按一般工艺规定：峰值温度与半峰值温度间的距离不小于2.5SR×（R：容器半径，S：容器壁厚），加热宽度A=0.5SR×。
根据传热学可得导热区的宽度：
B=
+Δhttc02ρλ
λ：钢的热导率，600℃时，λ=37.1w(m·℃)；
ρ：钢的密度Kg/m3；
c：钢的平均比热，t=100℃，c=0.466kJ/（Kg·℃），t=600℃,c=0.565 kJ/（Kg·℃）；
t0：热处理保温温度℃；
h：加热时间h；
tΔ：升温速率。
（1）导热区吸收的热量
导热区各点的温度随时间不断变化，但加热小时时间后，温度分布只与位置有关，即thΔx= f（x），其吸收热量：
QB=CI×ρ×F ∫Bdxxf0)(
用无限大平板非温态导热的数值解法或施密特图解法计算升温过程中导热区在不同时刻下各等分层上的温度。因此导热区吸收热量可为：
QB=FCtnBnhtBinix××
+×ΔΣ=ρ12
（2）加热区吸收的热量
QA=Ci×GA×（ti-ti-1） 保温时QA=0
Ci:钢在不同温度区域的平均比热kJ/（Kg·℃）；
GA：加热区工件的重量；
ti：加热过程中，不同温度区域加热终了的温度，一般分50～100℃为一个区域。
（3）保温材料的蓄热和散热
保温材料的蓄热和散热随时间在长度和厚度方向均发生变化，分析和计算十分复杂。经过大量的工程实践，下列计算方法可实际应用。
a）加热区保温材料的蓄、散热量可用炉体保温材料的蓄、散热量计算方法进行计算。
QAX=VA×γ1×C×(t-t∞)
VA：加热区保温材料的体积m3；
γ1：硅酸铝纤维材料的容重，γ1=128Kg/m3；
C1：硅酸铝纤维材料的比热kJ/(Kg·℃)。
QAS=AFaStt×+−Σ∞1λ
λ1：硅酸铝纤维材料的热导率λ=0.054+0.272×10-6tW/（m·℃）；
aΣ：综合传热系数aΣ≈18～20W/（m2·℃）；
FA：加热区保温层散热面积m2；
S：保温厚度m。
b）导热区保温材料的蓄、散热计算方法与加热区相同，而保温层内侧温度为t0=(0.55～0.6)t。
QBX= VB×γ×C×(t0-t∞)
VB：导热区保温材料的体积m3。
QBS=BFaStt×+−Σ∞10λ
FB：导热区保温层散热面积m2。
（4）考虑加热器本身等的发热损失QS，按总热量损失的20%计算。
3.3实例
镇海炼化焦化装置扩建新增两台焦炭塔，主材为15CrMoR、15CrMoR+0Cr13Al，规格为DN6400×31300×26～36/（22+3）。由于改造施工周期和现场场地等条件的限制，只能进行分段制造现场组焊的施工方法。每台塔分6个制作段，进行分段整体热处理，最大单体重40T，工装重约4T，现场环缝进行局部热处理。热处理前按上述方法
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进行热工计算。
（1）单段最重件炉内热处理平均每小时吸收的热量
Q1（w）
Q2(w)
Q3(w)
Q4(w)
总功率P（w）
376970
77585
92475
120350
667380×k
恒温温度:660℃;加热时间：10.5h；k：经验补偿系数，一般取1.15～1.25。
（2）δ=32mm环缝局部热处理平均每小时所吸收的热量
QA(w)
QB(w)
QAX(w)
QBX(w)
QAS(w)
QBS(w)
Qs（w）
总功率P(w)
12210
56960
10750
43940
5780
24910
30710
185260
保温宽度：1.7m;保温厚度； 加热区120mm, 导热区100mm。
在焦炭塔热处理实际施工中，分段整体热处理炉内共设置82片加热器，环焊缝局部热处理考虑加热器尺寸等因素共设置23片865×265规格的加热器。
4工装工艺设计
现场热处理的工装工艺设计主要包括加热器的设计与布置、拼装炉的设计、测温与温控系统的设置及采取必要的防变形措施。
4.1现场热处理炉的设计
为满足工件热处理的要求，所设计制作的简易热处理炉需满足：
（1）有效空间能容纳最大体积的工件，炉内径比工件外径大800mm左右，炉顶比工件高600～700mm。
（2）加热功率能满足最大重量工件按热处理工艺规范恒、升温所需的热量。
（3）保证炉内温度均匀，满足既定工艺要求。
（4）满足工件吊装的方便与安全可靠。
炉壳采用12边形钢架结构，钢架结构可以在现场进行螺栓连接拼装和拆卸。钢架上设置钢板网作为炉壁，炉壁保温材料采用热导率低容重轻的超细玻璃棉、硅酸铝纤维毡等混合材料，经计算保温层厚约150～170mm。炉体分上下二节，上下比例约1：4，炉盖上设8～12个直径为150～200mm的通风口，以调节升降温速度（在焦炭塔热处理过程中，设置12个φ159、1个φ273开口，调节开口以满足尽快通过0Cr13Al材质425～525℃脆相温度区）。控温和测温采用K型嵌装式热电偶，进行同步通电加热，测温由几台电脑温控仪作多点群控显示，利用热辐射和对流使各工件达到均匀加热的目的。炉外侧钢板网上抹上水泥沙浆起到防雨作用。
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立柱炉盖栏杆加热器保温层工件钢板网滑块加强圈图3 现场简易加热炉示意图
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4.2加热器的设计与布置
加热器的形状和尺寸根据工件的形状进行设计，一般每片加热器的功率为10KW。
（1）简易热处理炉内采用吴江电热电器厂生产的NJ框架壁挂型加热器，即翅片加热器固定于一特制的框架内，框架与加热器间用硅酸铝纤维毡填塞，外形尺寸1000×400×90。
布置需根据加热器数量进行。如焦炭塔一段最大重量为44000Kg，设计加热功率为820KW，一般炉底设10片炉壁自下而上设为32片、18片、12片、10片。
（2）环焊缝局部热处理用加热器，根据工件的壁厚及直径确定尺寸。用1mm铁皮制作成外壳，厚约50～70mm，长度方向侧面成U形或V形，以便弯曲变形，内铺设2～3层纤维毡，将加热片固定于壳内。外壳背面固定两根4～5mm厚的锌铁扁铁条，每根扁铁条的两端头各固定一圆形高温磁铁，以便加热器无需其它工装自身能固定在容器环缝上。接线磁铁保温针刺毡加热片
图4 局部热处理用加热器示意图
加热器沿环焊缝紧密排列，如焦炭塔环焊缝DN6400×26/30，需用865×265规格的加热器23片。
（3）特殊形状的焊缝如补强圈、接管与壳体角焊缝的热处理常采用绳状和弧形加热器，用托板、卡子等工具进行固定。
4.3环缝自动焊预后热
为满足焦炭塔等这类超大直径容器现场环缝埋弧自动焊的需要, 在原加热器结构的基础上将两根4～5mm厚的锌铁扁铁条换成2#角钢，在角钢的端头（原磁铁部位）各固定一微型滚珠轴承。各加热器用2mm扁铁紧密串接紧贴壳体，并要求滚珠轴承与壳体接触。当壳体转动时通过轴承传递，使加热器处于相对位置而不转动，从而达到预热的目的。
4.4测温与控温系统
焦炭塔现场热处理施工中，采用了江苏吴江电热电器厂生产的DWK-360Kw型电脑温控仪，每台输出功率为360Kw。热处理前将工艺参数（升降温速度、允许温差等）输入电脑，热处理时能按既定参数进行控制。
（1）炉内一般设18个控温点，相邻两点径向和轴向间距小于4.5m，局部热处理一般布置6～8个控温点。
（2）各点温度控制由电脑扫描监视，每24秒钟修整一次功率系数。控温过程由电视屏显示，记录仪自动记录温度——时间曲线以保证热处理工艺过程的稳定和可靠。 22
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（3）测温用K型热电偶应固定在工件表面，补偿导线采用铜-康铜补偿导线并与电脑温控仪相连。
4.5防变形措施
（1）工件在炉内加热时会热胀冷缩，为减少塔体与地面的摩擦阻力，防止下口产生拘束应力和残余应力而变形，在工件下口均匀设置8组专用滚珠托盘支座，各支座要求水平。
（2）工件上下口设置足够刚度的卡箍或内撑胀圈，卡箍或内撑胀圈可预制成2～3等份，使用时用螺栓及加减丝连接拧紧或撑紧。
（3）严格执行热处理工艺，防止温差应力过大而造成工件变形。
5结语
大型压力容器的现场焊后热处理是一项较为复杂的施工工艺，热工计算要求准确合理，工装设计要求经济适用，并满足工程实际需要。该施工工艺通过镇海炼化精丙稀塔及镇海炼化、高桥石化焦炭塔等设备的热处理施工，得到了验证。在本次焦炭塔的分段整体、局部热处理施工中取得了理想的与炉内热处理等同的工艺效果：
（1）焊接接头的硬度检测值HB，焊缝≤223，热影响区≤217；
（2）热处理后产品试板性能检测均一次合格；
（3）采用连续式记录仪记录的热处理工艺曲线符合既定热处理工艺要求：整体热处理：升降温时最高最低温差≤36℃，恒温时最高最低温差最大值22℃；局部热处理：升降温时最高最低温差≤58℃，恒温时最高最低温差最大值26℃；
（4）热处理后断面不平度、椭圆度、周长等几何尺寸允差均满足规范要求。
参考文献：
1王秉铨.工业炉设计手册.机械工业出版社，2000
2（美）.F.P因克罗普拉.传热基础.宇航出版社，1987
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