壓力容器現(xiàn)場焊后熱處理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王志剛， 羅永智， 秦作偉

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730314)

21世紀(jì)初以來，伴隨著世界經(jīng)濟(jì)形勢快速變化、資源品質(zhì)劣化和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，壓力容器逐漸向高溫、深冷、復(fù)雜腐蝕、超大容積、超大壁厚等極端方向發(fā)展，傳統(tǒng)壓力容器設(shè)計(jì)制造與維護(hù)技術(shù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。基于全壽命周期風(fēng)險(xiǎn)控制的設(shè)計(jì)制造與維護(hù)技術(shù)方法，中國已研制出千萬噸煉油、百萬噸乙烯、50萬噸/年醋酸大型煤化工等國家重大工程建設(shè)急需的多種國產(chǎn)首臺(tái)套重大裝備，使得我國重要壓力容器基本不再依賴進(jìn)口，萬臺(tái)設(shè)備失效事故率逐年下降，達(dá)到發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平，使我國壓力容器設(shè)計(jì)制造與維護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前我國已成功設(shè)計(jì)制造出超大型壓力容器，中國一重大加氫鍛焊設(shè)備壁厚已達(dá)到500 mm、2000多噸；蘭石重裝已成功制造壁厚(288+6.5)mm，鍛焊單節(jié)筒節(jié)97噸加氫反應(yīng)器。為了適應(yīng)壓力容器大型化發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步的需要、大型設(shè)備現(xiàn)場制造的施工需要，設(shè)備的整體或局部熱處理得到長足發(fā)展。由于現(xiàn)場條件的限制，總體情況比制造廠要差很多。經(jīng)多年來工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)積累，以及近年來一些高校在仿真模擬方面研究數(shù)據(jù)庫的指導(dǎo)下[1-2]，涌現(xiàn)出多采用積木式組合電加熱爐或燃油爐、局部大型卡式熱處理爐(一重，蘭石等)、履帶式紅外線電加熱帶、大功率局部中頻感應(yīng)加熱等，解決了大型容器現(xiàn)場熱處理的難題。

1 國內(nèi)外內(nèi)燃法熱處理技術(shù)

對(duì)于大型壓力容器球罐、塔器等，由于受到運(yùn)輸條件的限制，一般選擇分片到貨、現(xiàn)場組焊的加工制作方式。壓力容器現(xiàn)場焊后熱處理的方法主要為內(nèi)燃法熱處理，即在工件腔體底部或其它部位設(shè)置高效燃油/氣噴嘴，通過油/氣/電加熱提供加熱熱量的熱處理方式。內(nèi)燃法熱處理工藝由于受到容器外形尺寸大、現(xiàn)場條件復(fù)雜等因素制約，在熱處理過程中溫度均勻性不容易控制，導(dǎo)致熱處理后產(chǎn)品質(zhì)量無法得到保證。對(duì)公稱直徑DN≤4000 mm、設(shè)備總長(高)小于30 m的壓力容器，通常有條件的企業(yè)采用爐內(nèi)整體熱處理。雖然建爐投資大，但爐子使用頻率較高，同時(shí)具有操作維護(hù)簡單、控溫精度高等優(yōu)點(diǎn)，因而成為大型壓力容器整體熱處理的首選方案。對(duì)于公稱直徑DN>4000 mm、設(shè)備總長(高)超過30 m的壓力容器，由于受到運(yùn)輸?shù)南拗?，通常選擇部分構(gòu)件在現(xiàn)場組焊或總裝并進(jìn)行焊后整體熱處理[3]。

1.1 國內(nèi)公司

上海傅氏熱處理工程有限公司自行設(shè)計(jì)制造的PC-WK-YQ型溫控設(shè)備最大輸出功率20 000 kW，可以處理10 000 m3的球罐或大于1000 t的容器，參與了GB/T 30583—2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》起草。揚(yáng)州長鑫熱處理工程有限公司始建于1985年，在國內(nèi)同行業(yè)中采用數(shù)字模擬技術(shù)對(duì)焊后熱處理工藝進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，大大提高了熱處理過程的可靠性，降低了生產(chǎn)成本，高質(zhì)量高效率地完成了很多重大工程項(xiàng)目，多次受到同行業(yè)的高度贊揚(yáng)，其中10 000、13 306 m3球罐熱處理項(xiàng)目，在仿真技術(shù)、實(shí)時(shí)升溫速率、保溫均勻性控制和熱處理工藝穩(wěn)定性等方面均處于國內(nèi)外先進(jìn)水平[4-5]。沈陽三洋球罐有限公司完成首臺(tái)國內(nèi)10 000 m3球罐整體熱處理業(yè)績。

1.2 國外公司

Cooperheat熱處理公司采用“HAUCK”噴嘴內(nèi)部燃燒法，第一次完成了大型球罐焊后現(xiàn)場整體熱處理。1982年該公司為澳大利亞2臺(tái)氨罐(塔)φ42 m，高19 m，壁厚25.4 mm和12.7 mm，使用燃?xì)饧訜?，從罐底和罐頂同時(shí)吹入燃?xì)猓谝淮问褂昧擞?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。Jemix熱處理公司總部在日本神戶。1992年實(shí)施了700 t的壓力容器整體退火，主要業(yè)務(wù)涉及焊接預(yù)熱、PWHT(焊后熱處理)的裝備制造和設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)施，陶瓷加熱器工業(yè)爐熱設(shè)備設(shè)計(jì)制作，高頻感應(yīng)加熱制造等[6-7]。

1.3 最新技術(shù)發(fā)展

內(nèi)燃法熱處理是在球罐安裝制作工程中得到逐步成熟應(yīng)用和技術(shù)完善的。內(nèi)燃法熱處理是建造球罐的重要工藝，從20世紀(jì)90年代國內(nèi)對(duì)7000 m3球罐開始內(nèi)燃法熱處理，隨著國內(nèi)專業(yè)廠家、科研院所等對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的深入研究，以及大型特制燒嘴制造技術(shù)的突破、溫控系統(tǒng)的智能化，于2016年沈陽三洋球罐有限公司成功實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首臺(tái)最大10 000 m3球罐的內(nèi)燃熱處理；揚(yáng)州長鑫公司2019年3月完成了大連金鼎設(shè)計(jì)制造的馬來西亞項(xiàng)目13306 m3(直徑φ29 400 mm，壁厚40 mm，材質(zhì)SA516-70重1141噸)球罐；2019年揚(yáng)州鄭氏完成了沈陽三洋球罐公司20 000 m3球罐，為目前國內(nèi)最大。2016年、2020年上海傅氏公司分別對(duì)普光油田吸收塔進(jìn)行整體立式內(nèi)燃熱處理(高度與直徑比大于5∶1)，見圖1。內(nèi)燃法熱處理對(duì)于所有承壓設(shè)備來講，都具有整體性、一次性與終結(jié)性等特點(diǎn)，在熱處理前應(yīng)對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)作出必要的技術(shù)驗(yàn)證，機(jī)械的模擬試驗(yàn)或見證試驗(yàn)對(duì)于大型球罐來講都不現(xiàn)實(shí)，10 000、20 000 m3球罐都第一次采用有限元分析計(jì)算和虛擬的數(shù)值模擬仿真技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示該項(xiàng)技術(shù)評(píng)估方法可靠，安全性高。

圖1 吸收塔內(nèi)燃法熱處理示意圖(a)及吸收塔處理 實(shí)際曲線(b)Fig.1 Schematic diagram of internal combustion heat treatment in absorption tower(a) and actual curve of absorption tower treatment(b)

目前國內(nèi)企業(yè)已完全掌握該技術(shù)，對(duì)燃燒器噴嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加內(nèi)部輔助工裝，并逐步在圓筒形臥/立式容器的內(nèi)燃法熱處理中應(yīng)用。該方法可以有效預(yù)測焊后熱處理后的各種風(fēng)險(xiǎn)的程度，是熱處理工藝的驗(yàn)證有效驗(yàn)證評(píng)估方法。國外熱處理燃料較多采用LPG，利用LPG瓶組和LPG供應(yīng)車提供燃料且在上人孔采用誘風(fēng)機(jī)排除煙霧，相關(guān)設(shè)備差異見表1。

王學(xué)成等[8]提出了壓力容器內(nèi)燃法立式整體熱處理溫度場數(shù)值模型建模方法與流程，并發(fā)明專利(CN201711260587.X)，克服了經(jīng)驗(yàn)法引起的溫度的較大波動(dòng)和熱處理時(shí)間的延長，定量反映了熱處理傳熱機(jī)理、燃燒器、壓力容器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱處理溫度場的影響，為熱處理工藝的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；呂宵宵[9]對(duì)10 000 m3球罐焊后整體熱處理保溫階段進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)熱分析，基于耦合傳熱和熱-結(jié)構(gòu)耦合等理論，利

表1 國內(nèi)外主要設(shè)備一覽表

用ANSYS有限元分析軟件分析球罐內(nèi)部流場溫度場，殼體與腿柱溫度場及整體熱形變場，通過對(duì)不同保溫層厚度和不同入口速度下熱處理過程的模擬,分析不同工藝參數(shù)對(duì)球罐焊后整體熱處理的影響。郭超[10]研究了倒置燃燒器球罐內(nèi)燃法整體熱處理施工技術(shù)，此法與以往常見的熱處理施工最大的差別在于，從上部人孔安裝加熱器噴嘴進(jìn)行熱處理的方法在國外有應(yīng)用，在國內(nèi)還沒有報(bào)道應(yīng)用。

2 現(xiàn)場局部焊后熱處理應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 電阻加熱器加熱應(yīng)用

2019年某老撾項(xiàng)目加氫反應(yīng)器直徑φ2800 mm，壁厚(138+6.5) mm，主體材料12Cr2Mo1R(H)+堆焊，合攏環(huán)縫現(xiàn)場焊后熱處理(見圖2)時(shí)，采用在環(huán)向焊縫內(nèi)外壁同時(shí)布置電加熱器(片)，外壁柔性加熱片，內(nèi)壁為帶鐵殼加熱片，外保溫寬度大于1000 mm，保溫厚度100 mm；工件熱電偶均布置在焊縫上，圓周各均勻布置4支；保溫階段內(nèi)外壁溫差5 ℃。熱處理后對(duì)焊縫內(nèi)外壁進(jìn)行HB硬度檢測，外壁硬度為163、180、170 HB，內(nèi)壁硬度為198、186、172、184 HB。

圖2 某老撾項(xiàng)目加氫反應(yīng)器環(huán)縫內(nèi)壁加熱布置(a)及 保溫階段實(shí)時(shí)溫度(b)Fig.2 Heating arrangement of inner wall of hydrogenation reactor in a Laos project(a) and the real-time temperature in heat preservation stage(b)

圖3 快裝簡易退火爐Fig.3 Quick-installation simple annealing furnace

圖4 卡式燃油熱處理爐Fig.4 Cassette fueloil heat treatment furnace

2.2 卡式爐加熱應(yīng)用

1967年日本室蘭制作所設(shè)計(jì)制造了簡易現(xiàn)場退火爐，應(yīng)用在伊朗德黑蘭郊區(qū)現(xiàn)場組裝加氫裂化反應(yīng)器(內(nèi)徑φ2300 mm，壁厚200 mm，材料為Cr-Mo鋼)，見圖3。熱源是丙烷和丁烷混合氣，手動(dòng)操作火嘴，應(yīng)用于臥式組裝的容器環(huán)縫。2008年蘭石重裝設(shè)計(jì)制造了國內(nèi)卡式局部燃油熱處理爐，首次成功完成當(dāng)時(shí)國內(nèi)最大直徑最大壁厚(直徑φ4000 mm，壁厚182 mm，材料為12Cr2Mo1R鋼)的加氫反應(yīng)器環(huán)縫熱處理，見圖4。并于2021年完成了盤錦浩業(yè)項(xiàng)目加氫反應(yīng)器熱處理，其直徑φ4000 mm，壁厚(288+6.5)mm，材料為12Cr2Mo1RV鋼。主要工藝要點(diǎn)是在環(huán)向焊接接頭內(nèi)外壁交替均勻布置工件熱電偶各4支；在筒體與卡式爐之間縫隙及爐外筒體鋪設(shè)硅酸鋁耐火纖維氈，長度2000 mm，以減少溫度梯度對(duì)材料性能的影響，厚度大于100 mm；使用保溫氈采用掛堵方式在距離環(huán)縫內(nèi)壁兩側(cè)2000 mm處封堵，以防止空氣對(duì)流。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際檢測曲線顯示，升降溫期間內(nèi)外壁溫差不超過60 ℃，保溫期間不超過15 ℃。熱處理后并在現(xiàn)場對(duì)內(nèi)外壁焊縫進(jìn)行HB布氏硬度檢測，均小于225 HB。

2.3 中頻感應(yīng)加熱在容器上的應(yīng)用

蘭石重裝青島公司、中國石油大學(xué)(華東)和青島海越機(jī)電科技有限公司共同開發(fā)的電磁感應(yīng)加熱最終焊后熱處理技術(shù)，首次在盤錦浩業(yè)項(xiàng)目千噸級(jí)鍛焊式懸浮床加氫反應(yīng)器上成功應(yīng)用，該項(xiàng)目懸浮床反應(yīng)器共3臺(tái)，材料12Cr2Mo1V鍛件、厚度超厚，單臺(tái)重量1830 t，主體分3段在廠內(nèi)制造完成后，發(fā)運(yùn)盤錦浩業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行總裝環(huán)縫的焊接及熱處理，6條總裝環(huán)縫最終焊后熱處理采用全新的電磁感應(yīng)加熱技術(shù)(見圖5)。主要應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)是：使用多臺(tái)200 kW 電源控制整個(gè)加熱過程，外壁環(huán)縫兩側(cè)保溫氈覆蓋寬度3600 mm，感應(yīng)電纜纏繞寬度1200 mm，內(nèi)部4000 mm范圍覆蓋保溫氈，施工環(huán)境-20 ℃；內(nèi)外壁布置熱電偶，升降溫及保溫階段內(nèi)外壁溫差10 ℃以內(nèi)。與傳統(tǒng)電阻加熱器加熱方法相比，僅動(dòng)能成本降低一半以上。

圖5 大厚壁環(huán)縫中頻電磁感應(yīng)加熱技術(shù)Fig.5 Medium frequency electromagnetic induction heating technology for large thick-wall circumferential seam

張化機(jī)(蘇州)重裝有限公司承制的山東睿澤化工260萬噸/年深度脫芳烴裝置——加氫精制反應(yīng)器，直徑φ3900 mm，壁厚(192+7.5)mm，材料12Cr2Mo1V鍛件，使用2臺(tái)160 kW中頻感應(yīng)加熱電源，外壁加熱電纜纏繞寬度1200 mm，保溫寬度7000 mm；內(nèi)部使用LCD電阻加熱片并保溫；內(nèi)外壁布置熱電偶；熱處理后曲線顯示在保溫階段內(nèi)外壁溫度7 ℃以內(nèi)(見圖6)。

圖6 中頻電磁感應(yīng)加熱內(nèi)部電阻加熱及保溫Fig.6 Intermediate frequency electromagnetic induction heating internal resistance heating and heat preservation

圖7 粉煤給料罐裝爐現(xiàn)場熱處理爐Fig.7 On-site heat treatment furnace of pulverized coal feed retort furnace

3 現(xiàn)場積木組合式加熱爐整體焊后熱處理

積木組合式加熱爐是與上述卡式爐接近的一種拼裝式熱處理加熱爐，如圖7所示。其可對(duì)預(yù)制成型的容器或構(gòu)件,在制造場地現(xiàn)場搭建適合的積木組合式熱處理加熱爐內(nèi)進(jìn)行整體熱處理，與目前工程上常用的電加熱片纏繞局部熱處理法，內(nèi)部燃油整體熱處理法，外部燃油煙氣輸入整體熱處理法相比，有施工方便，應(yīng)力消除效果好，保溫材料重復(fù)利用率高，消耗的人工工時(shí)少，能源消耗少，成本低而工效高等優(yōu)點(diǎn)。某潔凈煤氣化項(xiàng)目的3臺(tái)粉煤給料罐焊后熱處理施工。容器規(guī)格φ5500 mm×116 mm×17 429 mm，重量為339 t/臺(tái)。搭建爐膛規(guī)格22 000 mm(L)×8200 mm(W)×8600 mm(H)。

4 容器現(xiàn)場焊后熱處理發(fā)展方向及其趨勢

近年壓力容器大型化在中國煤化工行業(yè)的推動(dòng)下得到充分發(fā)展，用戶的現(xiàn)場熱處理技術(shù)顯得越來越重要，傳統(tǒng)的電阻加熱器/片/繩明顯達(dá)不到要求。為了達(dá)到與爐內(nèi)焊后熱處理相近的效果、優(yōu)良的焊接接頭力學(xué)性能、較小的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形、厚度方向上較小的溫度梯度、較小的現(xiàn)場能源限制，整體內(nèi)燃法、組合式加熱爐、拼裝爐等得到了發(fā)展和優(yōu)化。但是特別在現(xiàn)場局部加熱上對(duì)于大厚壁焊縫仍有不少局限，雖然已經(jīng)進(jìn)行了不少的探索，目前國內(nèi)唯一的推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30583—2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》缺乏必要的熱工計(jì)算規(guī)范和理論支撐。還應(yīng)從以下幾個(gè)方面加快技術(shù)開發(fā)和技術(shù)進(jìn)步：

1)加快和整合爐內(nèi)整體焊后熱處理或局部焊后熱處理、爐外整體焊后熱處理(含爐外整體分段焊后熱處理)方面熱工計(jì)算統(tǒng)一規(guī)范，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，指導(dǎo)工程應(yīng)用；

2)利用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，加大對(duì)特殊材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件容器焊后熱處理前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，做出指導(dǎo)性方案。比如根據(jù)仿真技術(shù)對(duì)燃燒器或加熱器位置、數(shù)量、絕熱材料布置的位置厚度、焊件熱變形預(yù)防及控制等提出預(yù)判[11-12]；

3)進(jìn)行基礎(chǔ)性研究，對(duì)單側(cè)或雙側(cè)加熱時(shí)現(xiàn)場大厚壁環(huán)縫局部焊后熱處理加熱寬度、溫度梯度等提出理論支撐。目前推薦的WRC 452—2000《壓力容器上焊縫局部加熱的推薦措施》的框架基于美國焊接協(xié)會(huì)文件AWS D10.10/D10.10M:1999《管道中焊縫局部加熱的推薦操作規(guī)程》，推薦的只是單側(cè)加熱方法，對(duì)雙側(cè)同時(shí)加熱的機(jī)理研究較少。

4)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)T/CSTM 00546—2021《承壓設(shè)備局部焊后熱處理規(guī)程》提出了新的理論和方法，將主加熱帶作用在焊縫處，副加熱帶施加在距離焊縫一段距離，在焊縫內(nèi)表面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)宏觀壓縮應(yīng)力調(diào)控。

5)大型化、綠色化、智能化、低碳低能耗，便攜可移動(dòng)易組裝仍是未來壓力容器現(xiàn)場焊后熱處理的發(fā)展方向。需要設(shè)備制造廠商在這方面根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求進(jìn)行深入研發(fā)經(jīng)濟(jì)型的裝備，有效推進(jìn)壓力容器熱處理質(zhì)量的有力提升，保障裝備的安全可靠長周期運(yùn)行。

5 結(jié)語

近些年來，壓力容器現(xiàn)場熱處理開發(fā)出了很多新的工藝裝備和工藝方法，為裝備大型化發(fā)展和產(chǎn)業(yè)進(jìn)步提供了可靠的技術(shù)支撐。隨之而來的對(duì)新裝備、新工藝的評(píng)審、驗(yàn)證及其熱處理后效果評(píng)價(jià)機(jī)制還有待繼續(xù)完善；應(yīng)從條件、管理與能力對(duì)熱處理企業(yè)劃分等級(jí)，建立特種設(shè)備熱處理行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，給予焊后熱處理企業(yè)評(píng)價(jià)認(rèn)證，充分參與市場競爭。