大型塔器设备焊后热处理变形及工艺措施研究

发布时间：2017-02-06 07:39

第一章   绪论 

1.1  压力容器热处理变形国内外研究现状
目前，国内对于造成压力容器热处理变形产生因素的理论分析很多，基本上可以准确得对各个因素进行分析，同时也可以针对各个原因总结出一些防止变形的措施办法，这些防变形措施主要有以下几个方面：作为压力容器焊后热处理使用的热处理炉，不得使用燃煤或焦炭作为热处理燃料；热处理炉应使用计算机程序控制等自动化方式来自动控制整个热处理过程，应配备温度测量、控温和报警系统，做到对整个热处理过程升温、保温、降温的有序控制，实现温度的自动记录；要保持热处理炉在热处理过程中适时保证正压，让加热设备的热处理介质能够实现流动，并且要能够对炉内加热区域的气氛进行控制，防止焊件表面被过度氧化。设备整体长度较大尤其是立式塔器压力容器在进炉后，由于设备本身的支座较少或者没有支座，这时就需要增加临时支座支垫，避免因设备本身支座跨度较大，在设备热处理过程中出现旁弯，导致直线度超差的情况出现。对于设备直径较大、壳体钢板厚度较小的，应进行相应的内部加强。 因为在这种工况下，设备壳体圆筒的刚性结构会随着圆筒直径的增加而逐渐降低，在热处理温度下将无法抵抗自身自重带来的影响，导致设备圆筒由圆形向椭圆形状变化，从而使得设备圆度超差。因此需要额外的在容器内部布置加强支撑来对壳体的变形进行有效控制。对于分段进行热处理的压力容器设备，由于分段处稳定性较差，分段端口处应进行支撑加强。在一台完整的压力容器设备中，一般在两端都包含两个封头，封头在一定程度上会对设备壳体起到一定的加固保护作用，在热处理过程中会对设备壳体的变形控制起到一定的作用。然而对于一些设备，由于长度较长，超过了压力容器制造单位配置的热处理炉的最大热处理长度时，就需要将设备壳体进行分段热处理。这些分段后的压力容器设备在分段界面端口区域，由于缺少必要的加固支撑，在热处理过程中会因为自重而发生变形，因此需要对该区域在热处理工序前进行支撑加强。
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1.2  本论文研究目的和意义 
本论文通过对石油化工行业中大型塔类设备分段进行焊后热处理时，由于措施不当从而导致设备产生变形作为案例进行分析。通过分析，找出此类设备在进行焊后热处理时发生变形的原因，详细地对每一个原因进行分析，弄清楚每一种变形原因发生的机理，并有针对性地提出相对应的预防措施，以防止设备热处理变形的再次发生，为压力容器制造单位在进行类似设备焊后热处理时的防变形操作提供理论指导和技术帮助。压力容器在关系国家命脉的石油化工、航空航天、医药、新能源制造等方面都有着非常广泛的应用。压力容器使用广泛、数量大，又由于是非常容易发生破坏性事故的设备，因此它的制造质量和使用安全受到国家的重点监控，也是其使用行业的重点设备。 随着我国国民经济的快速发展，石油化工行业也向着大型化、集约化的方向进行发展。作为石油化工行业装置的重要组成部分，压力容器设备也相应地向着大型化的方向发展。与以往的常规尺寸的压力容器设备相比，随着设备直径、长度的加大，设备的制造难度也在成倍地增加，例如压力容器设备的成型、焊接、焊后消除应力热处理等工序。 塔类设备作为压力容器设备中的一种，在石油化工行业中的催裂化、加氢、制甲醇等各个装置中有着非常广泛的应用，是这些装置中的核心设备，直接影响着这些整个装置地高效运行和使用安全。随着压力容器设备大型化的发展，由于塔类设备自身结构特点的特殊性，很多时候由于施工现场的吊装运输、热处理炉热处理能力的限制，需要进行分段制作、运输。设备在分段后，由于设备整体结构的不完整，在进行焊后消除应力热处理的过程中，很容易由于自身支撑能力不足而发生变形，，严重得甚至会导致整台设备的报废，给压力容器设备制造企业带来经济损失，给整个项目的施工造成工期延误的影响。 通过本论文的研究，为压力容器制造企业在进行压力容器热处理时采取的防变形措施提供理论和实际操作方面的指导，从而杜绝热处理变形，提高压力容器设备的产品质量，降低制作企业损失风险。 
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第二章   热处理变形分析理论

2.1  焊后热处理理论
热处理是将金属加热到一定温度，并在此温度下恒温一定时间，然后以各种不同冷却速度冷却到常温，以改变金属内部的组织及应力状态，达到改善金属材料或设备使用性能的一种处理方法。按照热处理的要求，可以分为改善机械性能的热处理、焊后消除应力热处理和提高金属材料或容器抗腐蚀性能的热处理三种。而在压力容器制作过程中，我们常说的热处理指的是焊后消除应力热处理。压力容器在焊接过程中，由于以下原因：如焊接接头区域具有非常陡峭的温度梯度；随着温度的变化，会引起焊缝金属区、热影响区以及母材的几何尺寸和屈服强度的变化；焊缝金属的逐步凝固；冷却时焊接接头伴随着相变而发生体积改变等等，都会导致焊缝及焊缝热影响区存在着不同程度的残余应力及硬化组织，其应力大小及硬化程度随母材的合金含量、板厚、施工工艺和结构刚度而定。如果焊接接头区域的残余应力偏高而不加以消除，可能会产生以下危害： ①  使焊件形状和几何尺寸稳定性丧失。即当焊件需进行某种机械加工时，由于局部高峰值应力及反作用应力的作用，可能产生变形。 ②  促成应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹是一种脆性断裂，拉伸应力的存在是产生应力腐蚀裂纹的必要条件，有焊接接头的纵向残余应力通常是最大的拉应力，故应力腐蚀裂纹常垂直于焊缝轴线。尤其在氯化物、氨、硝酸盐、湿 H2S 等介质中，应力腐蚀裂纹更易发生。 
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2.2  热处理变形机理
压力容器的焊后热处理是一个加热、保温、冷却的过程，在这个过程中因为温度和材料本身组织结构的变化，会不可避免地产生热应力和组织应力。我们平时所说的热处理变形，就是热应力和组织应力共同影响的结果。 在热处理时，设备零部件材料随着加热、降温过程产生了很大的温度变化，并且在一定的温度下发生组织转变，因而导致热应力和组织应力的产生。从力学角度上讲，当材料的内部应力大于其相应温度下的塑性极限时，材料将发生塑性变形，这也就是热处理变形的根本原因。零件在加热或冷却过程中，特别是在冷却强烈的介质中淬火时，由于零件各部分之间的温差而产生热胀或冷缩量差，因而，在不同缩、胀区之间产生了互相牵制的应力。零件受热膨胀或膨胀量较大部分，势必对为膨胀或膨胀量下较小的部件产生拉应力；同时，未受热膨胀或膨胀量小的部分势必牵制膨胀量大的部分，使其不能自由膨胀，于是膨胀量大的部分受压应力。这种相互牵制的力，称之为热应力。 
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第三章   影响焊后热处理变形因素及减小变形措施 ..... 10 
3.1  温度是产生变形的关键因素 ....... 10 
3.2  结构设计合理性对热处理变形的影响 ......... 10 
3.3  支撑结构的合理性对热处理变形的影响 ..... 10 
3.3.1  热处理支撑底座设置的必要性 ..........11 
3.3.2  热处理内部支撑设置的必要性 ..........11 
第四章    热处理变形案例分析 ............ 13 
4.1  案例描述 ............ 13 
4.2  热处理温度分析 ......... 14 
4.3  热处理支撑分析 ......... 17 
4.3.1  热处理支撑底座分析 ....... 17 
4.3.2  热处理内部支撑分析 ....... 26 
第五章   压力容器热处理防变形措施分析 ............ 28 
5.1  热处理炉符合规范要求 ...... 28
5.2  使用合理的热处理工艺 ...... 32 
5.3  均衡布置设备热处理支撑底座 ............ 34 
5.3.1  热处理支撑底座结构 ....... 34 
5.3.2  热处理支撑底座的布置 ............ 36 
5.3.3  热处理支撑底座的验证计算 .... 36 
5.4  对设备进行合理的内部支撑 ....... 43 

第五章   压力容器热处理防变形措施分析 

根据对上述案例的分析，结合我自己多年在压力容器生产一线工作经验和目前国内同行业压力容器制造单位的制造技术，对大型塔式压力容器设备的在进行焊后消除应力热处理时的热处理防变形技术措施进行总结。 

5.1  热处理炉符合规范要求 

国内压力容器制造企业进行焊后消除应力的热处理炉一般是台车式热处理炉，一般按照采用的加热介质不同分为天然气热处理炉、燃油热处理炉、电加热热处理炉三种。目前国内普遍采用的是天然气热处理炉，它的优点是燃烧充分、无污染、加热速度快，最高使用温度可达 650℃～1200℃。烧器由配有进口 PLC 为核心的专用智能燃烧控制器控制，可实现自动点火、大小火切换、熄火报警、熄火保护及再点火等全过程的自动/手动控制，同时控制器具有“系统”、“本机”、“手控”三种控制模式下自动不间断切换功能。控制器接口可与温控系统或工控机系统联接，形成闭环控制。 

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总结 

压力容器设备作为国家重点管控的特种设备中的一种，在国民经济的各个支柱行业中均有非常广泛的使用，由于其在使用过程中的高危性，因此国家对其制造质量有着非常严格的要求。焊后消除应力热处理作为压力容器制造过程中的一道制造工序，对保证压力容器设备产品质量和使用性能有着非常重要的作用。热处理变形是压力容器设备焊后消除应力热处理时最常见缺陷的一种，对于大型塔器设备来说尤为明显。因此作为广大从事热处理技术的工作人员来说，弄清楚大型塔器设备在进行焊后消除应力热处理时发生变形的原因是什么、针对每一种变形原因需要采取哪种对应的措施、这些措施在生产实际中如何具体使用和实施等这些问题就尤为重要。 本文通过对石油化工行业大型分段塔器设备分段热处理变形进行理论分析研究，结合对自己在实际工作中遇到的设备焊后消除应力热处理变形案例进行各种分析，提出了适合大型塔器设备在进行焊后消除应力热处理时可以预防热处理变形的工艺措施，现总结如下：大型分段塔器设备在进行焊后消除应力热处理时，由于自身结构的不完整、主体材料在高温工况下许用应力、屈服强度等性能的大幅度下降等因素的共同影响，从而必然会产生设备的变形，而这种变形一般以圆度超差为主。由于压力容器制造企业的生产设施限制，设备的焊后消除应力热处理均采用卧式炉内热处理，而针对卧式炉内焊后消除应力热处理的预防变形的措施为：使用的热处理炉设备应符合规范中规定的使用要求、使用合理的热处理工艺、摆放支撑底座和设置设备内部支撑结构四种。对于热处理炉温度的控制，首先需要技术人员按照标准规范编制适合设备的热处理工艺；另外，在每次设备热处理操作前，需要由操作人员严格检查热处理炉的各个控制系统是否能够正常工作，排除隐患。对于支撑底座的摆放，需要使用正确的底座结构，底座包角应满足 150°；根据设备的结构尺寸确定支撑底座摆放的数量，且要摆放在合适的位置。对于设备的内部支撑，应选择可靠的“米”字支撑结构，并根据设备的壳体厚度、各管口的尺寸规格来调整“米”字支撑布置的数量和支撑部位。 
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参考文献(略) 

本文编号：240326