大型压力容器的现场热处理.docx

大型压力容器的现场热处理2002年2月石油工程建设第28卷第1期j 大型压力容器的现场热处理 俞松柏 芒化第三建设公司 摘要大型压力容器的现场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.,LS-程需要:文章系统介绍了大型压力容器现场整体热处理 和局部热处理的热量计算方法以及现场热处理炉,加热器,测温与控温系统的设计和布置=该 套方法在镇海炼化和高桥石化的焦炭塔等设备的热处理施工中取得了理想效果 关键词现场热处理热工计算膺式工装设计方法 1引言 对于结构不太大的压力容器的焊后热处理可采 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,一些超大直径和 (或)超长的压力容器如焦炭塔吸附塔等,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. 现场整体热处理一般采用两种方法一种是直 接在工件上设置电加热器,外敷保温材料,用电脑 温控仪进行控温.该方法施工周期短,成本低,但 温度均匀性差,施工操作难度大,一般不采用:另 一 种方法是设置一简易热处理炉,炉壁和炉底设置 足够数量的电加热器,炉内和工件上设置一定数量 的测温热电偶,用电脑温控仪进行控温并记录.该 方法施工周期较长,成本相对较高,但温度均匀性 好.工艺效果与炉内热处理等同,适用于超大直径 的压力容器(如焦炭塔)分段整体热处理. 我们在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中采用 了后种方法,并与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 计等作了较大的改进和提高. 2热工分析殛计算 热工分析及计算是制定热处理工艺方案,工艺 参数(如加热所需功率,保温宽度和厚度等)的前 提. 2.1整体热处理 分段整体热处理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热工计算一由于壁厚远 小于直径,可按平板处理: 2.1.1容器的吸热量Q. Ql:Qd+Q产G?cl?(一一L)(1) 式中pI厂?辐射传热量/U pr_I对流换热量/kJ G一被加热工件质量/kg Cr钢在不同温度区域的平均比热.当li= lO0-600时,=0.466-0565kJ/(kg?) ti一加热过程中.不同温度区域加热终l的 温度,一般分50-100.c为一个区域 2.1.2炉衬材料的吸热量Qz QF(I?I?cl+2?2?C2)xO.59(l+ta)(2) 式中.一内外二层炉村材料的体积/m .j一内外二层炉衬材料的密度/(kg/m),内 层硅酸铝纤维l=l28kg/m,外层超细 玻璃棉2=60kg/m cLr内外二层炉衬材料的比热/kJ/(kg?.c)】 ? 28? _I_. 第28卷第1期大型压力容器的现场热处理2002年2月 f一炉温/ fr_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 2.1.3炉体散热损失 q3=或 2. p3:?(-t)?F(3) 式中f一环境温度 s,一分别为两种材料的炉衬厚度,一般 内层Sl=0050.06m,外层s-0.1m ,:一两层炉衬材料的热导率/(m?)】 .一炉体外表对外的综台传热系数, n一1820W/(m?) 一 传热系数,=9-3+0.06tbW/(m2-) 炉体外表面温度,一般设定tb60 (代人时无量纲) 卜炉体外表面面积/m 1.4其它热量损失 考虑炉体钢架,加热器本身的发热损失,约为 总热量的20%25%. 2.2局部热处理 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. 设焊接接头及附近 施工方法:每台塔分6个制作段,进行分段整体热 处理,最大单体质量40t,工装质量约4t.现场环 缝进行局部热处理.热处理前按上述方法进行热工 计算. (1)单段最重件炉内热处理平均每小时吸收的 热量见表1. 衷1单段最置件炉内热扯理平均每小时吸收的量/W Q:jl总功辜 注:恒温温度:660C:加热时间:10.5h;经验补偿系数. 般取1151.25 (2)32ram环缝局部热处理平均每小时所吸 收的热量见表2. 襄2环缱局部热扯理平均每小时吸收的热量/W 仉pRQQ营功率 122l056960l0750439405780249l03071O185260 注:保温宽度=l7m;保温厚度:加热区120一.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865mmx265mm规 格的加热器 3工装设计 现场热处理的工装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. 3.1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 热处理炉需满足以下条件: (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)保证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,密度轻的 超细玻璃棉,硅酸铝纤维毡等混台材料,经计算, 保温层厚约150170mm.炉体分上下二节,上下 比例约1:4,炉盖上设812个直径为150200ram 的通风口,调节升降温速度(在焦炭塔热处理过 程中,设置12个D159mm1个D273mm开口, 调节开口尽快通过0Crl3A1材质的425525qc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 - 30 热的目的炉外侧钢板网上抹上水泥砂浆起防雨作 用.现场简易加热炉结构示意见图1. 立柱 围1现场简易加热炉不蘑 3.2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lOkW (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,框架与加热器问用硅酸铝纤维毡填 塞,外形尺寸lO00mm4OOmmx90mill.根据加热 器数量进行布置.如焦炭塔一段最大质量为 44000kg,设计加热功率为820kW,一般炉底设1O 片,炉壁自下而上分别设32片,18片12片,1O 片 第28卷第1期大型压力容器的现场热处理2oo2年2月 (2)环焊缝局部热处理用加热器【见图2), 根据工件的壁厚及直径确定尺寸.用lmm厚铁皮 制作成外壳,深约5070rmn,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, Ar 将加热片固定于壳内:外壳背面固定两根45mm 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,无需其它工装,加热器便能固定在容 器环缝上. 铣条 图2局部捕处理用加热器 加热器沿环焊缝紧密排列,如焦炭塔环焊缝 j6400mmx26/30mm,需用865mmx265mm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, 子等工具进行固定 3.3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 45mm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2irml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. 3.4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一360kW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,允许温度等)输入电脑,热处理时能按 既定参数进行控制. (1)炉内一般设l8个控温形,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23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 4结束语 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.该热处理工 艺在精丙烯塔,镇海炼化和高桥石化焦炭塔等设备 的热处理施工中,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 (下转第41酉) 第28卷第1期自动焊设备及技术在立式储罐制造中的应用2002年2月 制在_+lmm内;轨道外侧距罐壁的距离偏差应该控 制在3ram内.在施工过程中,也应该对轨道进行 经常性的调整,以保证轨道的安装精度 田3可调可式轨适妥襄币lie (3)现场调试安装横焊机时,应该反复调节驱 动轮和从动轮相对于机架的角度,使轮子里侧紧靠 轨道,避免在焊接过程中发生轮子内跑现象 (4)当进行打底焊时,焊丝倾角应该稍大,以 保证熔池和下壁板的完全熔合;当进行填充焊时, 焊丝倾角应该稍小,利用电弧推力拖住熔池以免形 成焊瘤. 通过在工程施工中应用上述措施,储罐环缝的 焊接取得了美观的外观成形和很高的合格率. 5效益分析 自动焊是先进的焊接技术,购置设备和进行焊 工培训的一次投入比较大.但在所购置的设备大规 模应用后,它的经济效益就显示出来了.以1万m 浮顶罐为例,只考虑罐壁主体部分,罐壁总质量为 156t,对仅用手工焊施工和自动焊+手工焊相结合 的方式施工进行比较,套用石油工程建设预算定 额,人工综合取费按63-3元/日计,计算结果见表 4.表中手工焊材料费只包括电焊条费用;自动焊 (上接第31页) (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. 材料费用包括电焊条,焊丝,焊剂和保护气体费 用;机械费只考虑了电焊机和烘干箱的费用,未考 虑其它费用. 裹4自动悍和手工焊经济效益对比 项目手工焊自动悍+手工焊 台班/十 tI劈/45【2700【667850 材料费/元2【66400【683【0. 机械费/元40572304560590 价/元【0736479lI6 表4仅仅是焊接1万m储罐,如果用于更大容积 的储罐,那么采用自动焊的效益就会更为明显. 不仅如此,采用自动焊以后,焊接质量也得到 很大提高.我公司施工的1万m储罐在采用自动焊 以后,投人焊工人数比单纯用手工焊减少r12人, 一 次焊接合格率达到96-4%,工期也比原计划缩短 r15天 6结论 综上所述,应用CO气体保护自动立焊和埋弧 自动横焊技术进行立式储罐的制造是一种适用的先 进技术.利用这种技术能够降低生产成本,提高劳 动效率,为施工企业开拓市场打下良好的基础.总 之,CO气体保护自动立焊和埋弧自动横焊技术在 立式储罐安装领域必将有良好的应用前景. 参考文献 1中国机械工程学会焊接学会焊接手册(第二卷)北束:机槭 工业出版社1995 2胡特生电弧焊.北京:机械工业出版社.1996 程宰富,工程师.现从事项目管理工作,提任塔河联台站 储罐扩建工程项目执行经理.通讯地址:河南省濮阳市, 邮编:457o01.联系电话(编辑朱智灵牧稿日期20010710 参考