14 大型焦炭塔的焊后整体热处理

1SEI第二届延迟焦化年会论文（2）大型焦炭塔的焊后整体热处理莫少明1，顾一天2，刘海滨1，傅家仁3（中石化齐鲁分公司胜利炼油厂，山东，淄博255434；中国石化工程建设公司，北京100011；上海傅氏热处理工程有限公司，上海，200231）摘要介绍了直径达8800MM的两台焦炭塔在国内首次采取燃油法焊后整体热处理的工艺系统及热处理过程，各项数据表明整体热处理效果良好，完全符合设计要求。关键词焦炭塔整体热处理齐鲁胜利炼油厂新建140万吨/年延迟焦化装置采用一炉两塔工艺，单台焦炭塔直径达8800MM，主体材质为15CRMOR（泡沫段以上部分为15CRMOR410S复合板），焦炭塔主要设计参数见表1。为了降低塔体组装应力及焊接时产生的残余应力，防止焊接裂纹的产生；同时为改善焊接接头和热影响区的组织和性能，降低硬度，提高塑性和韧性，根据设计文件和国家现行压力容器有关法规、标准，焦炭塔焊后需进行消应力热处理。以往国内同规格焦炭塔的热处理均采用分段法，现场需搭设一台10400MM的组合式小型热处理电加热炉，焦炭塔制造时先采用正装法组对成八段，每段筒节（下锥体的第一段筒节除外）内部的拼接纵、环焊缝在炉内进行热处理，但受炉体限制，每段之间的环焊缝只能在吊装组对后进行电加热局部热处理，共要进行七次炉内热处理、八次电加热局部热处理（含裙座下环缝，但不包括部分接管焊缝），不仅投资大，施工周期长，而且每次采用的近二百只电加热器时常出现烧坏、短路的现象，往往造成热处理效果差、无法完全达到工艺要求的情况。经多次讨论，最后决定采用上海傅氏热处理工程公司提出的塔器立置内部燃油法对这两台焦炭塔进行整体热处理。表1焦炭塔主要设计参数序号项目参数1焦炭塔规格（MM）8800358372设计壁厚（MM）（223）/（243）/30/32/36/40/303公称容积M316554焦炭塔材质15CRMOR410S上部/15CRMOR下部5操作介质渣油、油气、焦炭、水蒸汽6设计压力MPA0357设计温度450顶/475中下/495底8金属质量KG2549721整体热处理工艺及计算11整体热处理工艺参数整体热处理工艺参数见表2，整体热处理工艺曲线见图1。表2热处理工艺参数序号项目技术指标1恒温温度690142恒温时间H23升温速度5080（300时可不予控制）4降温速度5080（300时可不予控制）5升温时的最大温差1206降温时的最大温差1207恒温时的最大温差28注升温、恒温、降温时的最大温差指最下部至最上部所包客的焦炭塔受热范围内的塔壁外侧金属温度的最大差值。最下部下过渡段下部对接环缝（焊缝编号B15）以下150MM；最上部椭圆形封头开孔N1钻焦口管座与接管之间的焊缝以上150MM。12整体热处理方法以焦炭塔内部为炉膛，选用0号轻柴油（随气温选用标号）为燃料，焦炭塔外部用保温材料进行绝热保温，通过鼓风机送风和喷嘴将燃料油喷入并雾化，由电子点火器点燃，随着燃油不断燃烧产生的高温气流在塔体内壁对流传导和火焰热辐射作用，使塔体升温到热处理所需的温度。13热工计算热工计算参数见表3。表3热工计算参数序号项目参数1保温材料硅酸铝针刺毯2保温材料密度KGM31203保温材料厚度1204保温层外表面积M28605保温材料重量T126钢材比热KCALKG6000573；70006037钢材导热系数KCALKG60028；7002588保温材料导热系数KCALKG60000828；70000919保温材料比热KCALKG0210环境温度011燃料油0号或10号柴油升温到500700期间，升温速度接50/H时的热处理耗热量计算结果见表4。表4热工计算表速率烟气单位时间耗油量时间单位耗油量10000KCAL/H3/HBKG/H流量L/HQ1Q2Q3Q4Q5Q6总耗热量5070078669546415835062192451258046表中Q1塔体壁板升温所需热量Q2塔体壁板与保温层的传热损失Q3保温层的蓄热损失Q4炉废气带走的热量Q5燃料化学不完全燃烧损失的热量Q6燃料机械不完全燃烧损失的热量B燃料油的用量本次热处理采用YQA1600型燃烧器，其最大燃烧能力产生的热量为16106KCAL。由表5可知，塔体热处理时能满足供热要求。2整体热处理工艺系统热处理工艺系统由燃油、供油、温度测量、排烟系统和动态测量组成。21燃油系统燃烧器与焦炭塔底部的管口法兰，采用过渡法兰和临时螺栓连接。利用一套微机系统对热处理过程进行智能化控制，以满足工艺要求，燃料采用10号柴油（按气温选标号）通过油泵送油，由电磁阀控制经喷嘴喷出，雾化的燃烧油，由电子点火器自动点燃柴油进行燃烧。燃烧器上的鼓风机按预先设定的风油比助燃。22供油系统根据热工计算，本次焦炭塔热处理最大耗油量为9546L/H，单台热处理耗油量7吨，储油罐一次装油量应保证塔体热处理全周期所需油量的15倍，故应设制容量为10吨的储油罐一台。23温度测量控制系统和温度监测温度测量监控系统由热电偶，补偿导线和一套PCWK型集散控制系统对温度进行智能化测量和控制。温度监测配置两套系统，一套是EH10024长图自动平衡记录仪2台，共可记录48个测温点，另一套是微机集散型温度监控系统，3秒钟扫描一个测温点巡回检测各测温点的温度，并与设置的热处理工艺曲线进行比较对照，从而向燃烧器给出具体燃油控制量，同时升、降温阶段每30分钟打印1份各点温度的报表，恒温阶段每15分钟打印1份各点温度的报表。24焦炭塔热处理过程中的动态监测热处理前，在焦炭塔416M平台上，沿焦炭塔周长方向均匀设置4处测量焦炭塔径向热膨胀位移的测量点，并设置1处轴向热膨胀位移的测量点。测量点的静止端应与塔体无4任何连接，且距塔壁的径向距离不小于150MM，动态点设在筒体与椭圆形封头连接的焊缝处（B1）。在1826M平台上按上述要求设置4处塔底径向热膨胀位移测量点，动态点设在筒体与上过渡段连接的焊缝处（B11）。在热处理过程中，若测量发现塔体发生异常形变时，立即停止升温，并进行原因分析，排除造成异常的原因，采取相应的措施后方可继续进行热处理操作。25烟道系统烟囱总高25米，主体由50041000钢管2节组成，烟囱上部安装蝶阀（高05米），由上位机电脑通过智能仪表，控制烟气的压力。3整体热处理前的准备工作31热电偶的布置和安装按照JB/T47092000钢制压力容器焊接工艺规程和设计文件要求，热处理时在焦炭塔壳体及接管上共设46个测温点，2块产品焊接试板各布1个测温点，合计48个热处理工艺温度控制点，详见图2。由于整体热处理是在塔体安装就位后进行的，裙座与上过渡段之间环焊缝（排版图编号B30）的热处理工艺温度为69014，裙座底座环处的温度接近环境温度，在B30环焊缝和底座环之间的温差会在裙座筒体上产生不利的温差应力。为了确保整个热处理过程的安全，需对该区域的温差进行跟踪监视和调整，在B30环缝以下1650MM范围内布置5圈温度监测带，每圈沿圆周均布4个热电偶，共计20个温度监测点。为了防止接管法兰温度过高，造成法兰密封面变形，在排焦口法兰与下过渡段之间的焊缝部位对称布置2对温度监测热电偶，所有椭圆形封头上的法兰与接管之间的焊缝各布置一对温度监测热电偶。热电偶安装采用专用的储能式热电偶点焊机，按图1要求将热电偶牢固地点焊在塔体壁板上，烟道气和试板应单独另设热电偶。在热处理过程中往往因外力和操作不慎碰断电偶，又因高温期间无法补焊和修复，因此对试板等关键部分采用双热电偶，以备不测。在每段多布置至点作为备分。补偿导线必须妥善保护和固定，以防烧毁。32保温热处理时采用背带式保温结构，保温方法参照焦炭塔正式保温（保温结构部件图）。选用2层厚度为40MM的复合硅酸盐板材和一层厚40MM的陶瓷纤维毡。保温材料采用内背带和保温钉固定，安装板材保温用22铁丝在保温钉上交叉绕紧，在保温板层外再挂上外钢带并勒紧，尤其应注意防止保温棉块下塌脱落。接管法兰均应扣上盲板保温，升温的效果具5体由微机每3秒钟巡检一点，每15分钟左右巡查一遍的速度加以监控，能及时发现保温的缺陷发出温差信号告警，提示操作人员及时加以补救，减少热处理温差，达到工艺要求。33需特别注意的几个问题331产品焊接试板与焦炭塔筒体同步热处理焦炭塔整体热处理过程中，要求产品焊接试板与焦炭塔筒体采用相同工艺进行热处理。参照现行GB12337钢制球形储罐的规定，把试板放在筒体的外侧，靠壁板的温度传导给试板，因此试板必定滞后和低于壁板的温度。本次热处理由微机采集试板附近测温点的温度，由智能仪表自动加以补温，使试板温度保持在采集点温度1的温差内，实现同步热处理。因塔体与裙座相连接的环焊缝受力最复杂，也最重要，因此把焊接试板放在距环焊缝200MM处，使试板热处理条件接近关键部位，更具有代表性。产品焊接试板的安装位置见图1。试板与筒体之间必须紧密贴合，每边和筒体点焊一点（焊缝长度电约占5MM），点焊试板所采用的焊接、预热、后热工艺和产品正式焊接一致。热处理完毕后，必须用砂轮小心磨除焊缝金属，不得采用强力拆除方式，以防伤及筒体。试板拆除后，留在筒体上的焊缝金属用砂轮打磨至与母材平齐，并对打磨部位进行100PT检测，以JB4730中的级为合格。332裙座环焊缝热处理在塔体作整体焊后热处理时，用陶瓷红外线电加热器对焦炭塔裙座上段与上过渡段之间的环焊缝（焊缝编号B30）与塔体同步热处理。采用300X1000MM/10KW陶瓷红外线电加热器，布置功率280KW，沿焊缝园周均匀布置设8对热电偶。由一台PCWK480KW电脑控温仪，控制热处理工艺的全过程。因塔体作整体焊后热处理时，裙座自上（焊缝处最高温度700）而下（钢筋混凝土基础环境温度）应保持较平缓的温度梯度，才能确保整体热处理安全正常进行。为了降低该温度梯度，焦炭塔裙座上段与焦炭塔裙座下段连接焊缝，在整体热处理先行热处理完毕。在整体热处理时，不再对该焊缝进行处理。333法兰与接管之间焊缝的热处理及防止法兰密封面变形措施为防止法兰密封面因整体热处理产生变形、氧化等问题，接管与法兰之间的连接焊缝，在整体热处理前先行热处理完毕。在整体热处理时，不再对该焊缝进行处理。在整体热处理时，必须用保温材料从法兰孔内部包覆法兰内壁及密封面，对其实施防超温保护。64焦炭塔整体热处理的实施2003年12月24日203025日2200上海傅氏热处理公司对1号焦炭塔进行热处理，工艺简图见图2。热源为10柴油，保温层中最里面一层为陶瓷纤维毡，外面两层为复合硅酸盐板。为避免影响法兰密封面，法兰和接管己提前热处理，这次仅在挡雨板以下保温，法兰暴露在大气中，在钻焦口法兰与烟囱连接处采用内保温的办法防止法兰变形。燃烧器小车连接到下部卸焦口法兰上，小车上有齿轮泵、鼓风机及变频电机等。通过调节变频电机的电流来调节油量和空气量，控制喷嘴处火炬的大小及长短，同时控制烟囱处的蝶阀开度，以调节排气量，这样控制热处理温度及其均匀性。为提高整体热处理控温精度，确保热处理过程温度的均匀性，在工艺温度升到400以前必须评估好温差的原因，对于零星的低温点可通过增加保温予以解决，径向的片状温差可调整燃烧器的角度来解决，轴向温差可调整火焰的形状来解决。41热处理实测数据411恒温时要求690142H，实测如下（每隔15分钟测一次）时间MAX2测温点MIN42测温点111070067611257006771140700679115569767812106976781225696678124069667912556976791310696679412恒温时风速45级，气温1，钻焦口法兰209，油气出口法兰25，裙座保温层以下800MM处从上至下18625，裙座基础环20，说明热处理不会造成法兰变形，基础环没有太大的膨胀。413焦炭塔整体热处理实测膨胀量记录见表5。焦炭塔整体热处理径向和轴向热膨胀位移量理论计算值如下（径向）LDT88000000014670090MM式中材料的线膨胀系数（00000146）D塔体直径（轴向）LHT3500000000128700314MM式中材料的线膨胀系数（00000128）7H塔体标高1号焦炭塔恒温时实测顶部钻焦口中心没有发生偏移，ABCD800,其挡雨板标高抬高282MM,与塔的轴向计算膨胀量314MM基本一致，其实测径向膨胀量84MM也与理论计算膨胀量90MM基本一致；而且整个热处理过程中塔体没有发生异常变形，这说明整体热处理符合工艺要求，且塔的焊接质量良好。表5焦炭塔整体热处理膨胀量记录（单位MM）42讨论421裙座上15CRMOR与Q225B连接焊缝处仍按69014处理，按JB47092000第832节第二条文是允许的，该处实测温度为700，又在碳钢的ACI线以下，不会发生相变Q235B的ACI为725735，但考虑到碳钢在7002H可能会强度下降，故第2台该处径向膨胀量测试点1826M径向膨胀量测试点485M轴向内容时间温度00900270036000090027003600向上初始值5000000000153010066666666411640221999988885017302903333333329190039177776665412030489666655554022305937777555642013066533333333290330690111111111004306900000000001号焦炭塔累计/4242424237373737282初始值50000000002330100666655554100302006666555540015532077776666470330415666655554104304704444444422053053344444444240630600555544442608306351111111114103067522222222161110690111111111011406900000000002号焦炭塔累计/42424242373737372818温度应改为650该处同时整电热带加温，另外做试板做7002HQ225B试板的强度测试，测得下降程度以作比较。为了提高裙座强度，今后设计可选用16MNR。422保温好坏，对温度分布影响很大，这次保温效果较好，故温度偏较小，达到了小于14的要求，但发现塔下部42点温度高，上部温度低2点,保温还应改进。423恒温时实际控制温度为690117，符合实际要求，但仍可以改进，2号塔可以提高2，更接近设计点。424方案规定升温速度为5080/H，但实际处理时，在600以上，为了有效控制温差，升温速度减缓，这样实际延长了热处理时间（大约2小时），有人提出会使晶粒胀大并球化，强度会降低，提会做金相分析。我们以为，稍延长热处