（材料加工工程专业论文）球形储罐局部消应力热处理的机理与效果评价研究.pdf

中文摘要 球形储罐是应用广泛的大型压力容器。使用中发现裂纹等缺陷后通常需要进 行补焊和局部消应力热处理。目前各国标准中均末给出有效的关于球形储罐局部 热处理的规定。公开报道的案例表明，对局部热处理远未达到有效控制水平。 本文采用有限元数值模拟和试验相结合的方法对球形储罐局部热处理问题 进行了研究。研究中提出了考察区域的概念以及以此为基础的局部加热过程热 跟踪的算法，建立了球形储罐多层多道补焊过程数值模拟模型和三种局部加热 过程分析模型，并开发出了对应的运算程序。为分析局部热处理的效果，提出 了补焊区域表面平均残余应力、熔敷金属平均残余应力和结构最大残余应力三 种评价方法。通过大规模系列运算，得出了许多有价值的结论。 研究发现，若采用小面积集中加热，局部加热过程本身会带来足以引起材 料屈服的残余热应力。虽然残余热应力在冷却过程中产生，但造成残余热应力 的真正原因是加热、恒温过程形成的塑性应变和蠕变应变，而冷却速度对残余 热应力基本无影响。当同时考虑焊接残余应力时，局部加热过程本身带来的热 应力仍是影响热处理效果的主要控制因素。增加加热面积可以有效降低局部加 热带来的残余热应力，提高残余应力消除率。 分析表明，在球形容器局部热处理中，焊接残余应力的消除机制包括高温 屈服和高温蠕变。材料的高温蠕变起到两个相反的作用，它有利于焊接残余应 力的消除，但会增加局部热处理过程本身带来的残余热应力。在材料屈服、蠕 变和温度梯度共同作用下，局部热处理存在最优的恒温温度和恒温时间。 对十种可能的影响凶素进行了逐一分析，表明球形储罐体积、壁厚、加热 区域弧长半径和恒温温度是影响局部热处理效果的主要因素；环形保温带宽、 加热升温速度、恒温时间和考察区域尺寸对热处理效果影响不显著，为次要因 素；冷却速度( 包括加速冷却) 和加热面布置对补焊残余应力消除效果几乎没 有影响。 基于合于使用的原则，得出球形储罐局部热处理加热区域弧长半径的推荐 准则为r 胁3 4 r ，。这时，可以将考察区域的残余应力平均值控制在3 0 o ，左 右，最大残余应力可控制在5 0 o 。左右，对应的焊接残余应力消除率可分别达 到7 5 和6 7 。 关键词： 球形储罐局部热处理 残余热应力 多层多道补焊 数值模拟蠕变效果评价加热面积准则 a b s t r a c t s p h e r i c a lt a n k sa r ew i d e l yu s e dl a r g e s c a l ep r e s s u r ev e s s e l s r e p a i rw e l d i n g a n dl o c a ls t r e s s - r e l i e fh e a tt r e a t m e n t ( l s r h t ) i su s u a l l ye m p l o y e di nc a s ed e f e c t s s u c ha sc r a c k sa r ef o u n d e f f e c t i v es p e c i f i c a t i o n so nl s r h ta r en o ty e tg i v e ni n t h es t a n d a r d sp r e s e n t l ya v a i l a b l e i ts h o w sf r o mt h ea n a l y s i so nt h ep u b li s h e dc a s e s t h a tt h el s r h ti sf a ra w a yf r o me f f e c t i v e l yc o n t r o l l i n g r e s e a r c h e so nl s r h to fs p h e r i c a lt a n k sa r ep e r f o r m e di nt h i sp a p e rb a s e do n t h em e t h o d o l o g yo fc o m b i n a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s t h e c o n c e p to fo b s e r v e dr e g i o na n db a s e do nt h a t ，t h ea r i t h m e t i cf o rt h et h e r m a lt r a c i n g o fl s r h tp r o c e s sa r ep u tf o r w a r d am o d e ls i m u l a t i n gt h em u l t i - l a y e rm u l t i b e a d r e p a i rw e l d i n gp r o c e s sa n dt h r e em o d e l sf o rt h el s r h tp r o c e s sa r ef o u n d e d ，a n d t h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a m sa r ed e v e l o p e di nw h i c he s p e c i a l l yt h et h e r m a lt r a c i n g p r o g r a mi si n c l u d e d i no r d e rt oa n a l y s i st h ee f f i c i e n c yo fl s r h t , t h r e ee v a l u a t i o n m e t h o d sa r ee m p l o y e d ，v i z t h em a x i m u mr e s i d u a ls t r e s s ，t h ea v e r a g er e s i d u a l s t r e s s e so nt h ew e l ds u r f a c ea n di nt h ed e p o s i tm e t a l t h r o u g hl a r g e - s c a l es e r i e s a n a l y s i s ，m a n yv a l u a b l ec o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d i ti sf o u n dt h a tt h el s r h t p r o c e s si t s e l fd o e sc a u s eo b v i o u sr e s i d u a lt h e r m a l s t r e s st h a ti sh i g he n o u g ht oc a u s ey i e l dw h e nc o n c e n t r a t e dh e a t i n go ns m a l lr e g i o n i sa d o p t e d t h er e s i d u a lt h e r m a ls t r e s si sf o r m e dp h e n o m e n a l l yi nt h ec o o l i n g p e r i o d ，h o w e v e r ，t h ep l a s t i ca n dc r e e ps t r a i nf o r m e di n t h eh e a t i n ga n dh o l d i n g p e r i o d sa r ef o u n dt ob et h er e a lr e a s o n ，a n dt h ec o o li n gr a t ec a nh a r d l ya f f e c tt h e f i n a ls t r e s s i nt h ea n a l y s i si nw h i c ht h ew e l dr e s i d u a ls t r e s si si n c l u d e d ，t h et h e r m a l s t r e s si n d u c e db yl o c a lh e a t i n gi ss t i l lt h em a i nc o n t r o lf a c t o r s u f f i c i e n t l ye n l a r g e d h e a t e dr e g i o nc a nl o w e re f f e c t i v e l yt h er e s i d u a lt h e r m a ls t r e s s e s ，a n da l s or e s u l t si n d e s i r a b l er e l i e fe f f i c i e n c yo fw e l dr e s i d u a ls t r e s s t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h er e l i e fm e c h a n i s mo fw e l dr e s i d u a ls t r e s si n c l u d e s h i g ht e m p e r a t u r ey i e l da n dc r e e p i nt h el s r h tp r o c e s so fs p h e r i c a lt a n k ，t h ec r e e p m e c h a n i s mh a st w oo p p o s i t ee f f e c t s ，i ti sh e l p f u lf o rt h er e l i e fo fw e l dr e s i d u a l s t r e s s ，b u tc a ne n l a r g et h er e s i d u a lt h e r m a ls t r e s si n d u c e db yl s r h tp r o c e s si t s e l f u n d e rt h ec o m b i n a t i o ne f f e c to fy i e l d ，c r e e pa n dt h e r m a lg r a d i e n t ，b e s th o l d i n g t e m p e r a t u r ea n dh o l d i n gt i m ee x i s t i tc a nb ef o u n dt h r o u g ho n eb yo n ea n a l y s i so nt e nf a c t o r sw h i c ha r ep o s s i b l y i n f l u e n t i a lo ns t r e s sr e l i e fr a t i o ，a r cr a d i u so fh e a t e dr e g i o n ，h o l d i n gt e m p e r a t u r e ， v o l u m ea n dw a l lt h i c k n e s so fs p h e r i c a lt a n k sa r ep r i m a r ye f f e c t i v ef a c t o r s b a n d w i d t ho fa n n u l a ri n s u l a t e dr e g i o n ，h e a t i n gr a t e ，h o l d i n gt i m ea n dt h es i z eo f o b s e r v e dr e g i o na r es e c o n d a r y f a c t o r s h e a t i n gp a t t e r na n dc o o li n gr a t e ( i n c l u d e a c c e l e r a t e dc o o l i n g ) c a nh a r d l ya f f e c tt h er e l i e fr a t i oo fw e l dr e s i d u a ls t r e s s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f “f i t n e s sf o rp u r p o s e ”，t h er e c o m m e n d e dc r i t e r i o n a b o u ta r cr a d i u so fh e a t e d r e g i o ni s 月砌3 4 4 r , t i nt h i sc a s e ，t h ea v e r a g e r e s i d u a ls t r e s si no b s e r v e dr e g i o nc a nb ec o n t r o l l e da p p r o x i m a t e l ya t3 0 o ，a n d t h em a x i m u mr e s i d u a ls t r e s sa t5 0 o - ，t h ec o r r e s p o n d i n gr e l i e fr a t i o so fw e l d r e s i d u a is t r e s sa r e7 5 a n d6 7 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：s p h e r i c a lt a n k l o c a lh e a tt r e a t m e n tr e s i d u a lt h e r m a ls t r e s s m u l t i - - l a y e rm u l t i - b e a dr e p a i rw e l d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c r e e pe f f i c i e n c ye v a l u a t i o n c r i t e r i ao fh e a t e dr e g i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：朋彳 签字日期 叫 年 多月夕日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗苤鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 朋彳 f 导师虢荔f 嘭钉 夕r il y f 签字日期：如口7 年月夕日 签字同期：矿秒年石月夕日 大；t 夫学博i ：学位沦义 选题背景 1 1 1 球形储罐简介 第一章绪论 球形储罐( 简称球罐) 是一种存储压缩气体、液化气体或者其它液体的大 型压力容器。与具有相同储存能力的其它结构压力容器相比，球形储罐具有承 载能力强、金属消耗量小、占地面积小、造价低等优点，因而广泛应用于石油、 化t 、石化、冶金和城市燃气等行业中。 世界上第一台工业用球罐于1 9 1 0 年在美国建成。到e 世纪末，全世界在役 各类工业用球罐已有大约6 0 0 0 0 台。我国在1 9 5 8 年建成第一台6 0 0 m 压缩空气 球罐，至1 9 9 9 年的近4 0 余年里己拥有各类在役工业用球罐4 0 0 0 余台，约占世 界总数的6 。目前世界各国每年建造各种工业球罐7 0 0 8 0 0 台，其中我国约 为2 0 0 2 5 0 台，占 世界球罐建造增长 量的3 0 左右l l i 。图 1 1 给出了我国在役 球形储罐的使用情 况。 早期的球形储 罐体积小、压力低。 随着工业和民用需 求的增长、材料技 术、焊接技术和检测 技术的发展，球形储 罐逐步向大型化和 百油工业 3 0 0 旨p ， 。e 学工业 s 0 0 鲁2 0 图1 1 截至1 9 9 9 年我国在役球形储罐的应用统计 f i g 】一1d o m e s t i cs t a t i s t i c so f i n - s e r v i c es p h e r i c a lv e s s e l su p t 0 1 9 9 9 高参数发展。目前我国自丰设计、制造和安装的球罐撮大体积已达到5 0 0 0r i 】3 ， 引进国外的球罐最大达到1 0 0 0 0m 3 ，而国外工业用球形储罐的体积已经超过 5 0 0 0 0 m 3 。上世纪9 0 年代天然气西气东输工程中，北京、天律等地已经建成数 十台5 0 0 0 10 0 0 0 m 3 的承受疲劳载荷的高压天然气球罐。 筇章绪沦 球彤储罐是利r 大型的、复朵的焊接壳体结构。几前为应州的球形储罐人 多为单层结构，主要山球壳板组焊成的罐体以及各种开孔、支撵用的支柱等组 成。图1 2 给出了天津某企业15 0 0 m 3 l p g 球形储罐简图及实物照片。虽然球形 储罐结构看似简单，但其目前以焊接为主要加工手段的建造工程是一个复杂的 系统工程，它涉及到结构设计理论、材料科学、塑性加t 技术、焊接技术、热 处理技术、无损榆测技术、断裂力学等多个学科和技术领域。 球形储罐制造和安装过程要求比较苛刻。表现在球壳板的压制成型需要大吨位 图1 - 2 某1 5 0 0 m 3 球形储罐简图与实物照片 f j gl ts c h e m a t i cd a w i n ga n dp h o t o o f a l 5 0 0 m 3s p h e f i c a lv e s s e l 和大跨距的压力机，成型精度要求也很高，例如球壳板长度方向的弦长误差要 求为2 5 m m ，对角方向弦长误差也不能超过3 m m 口l ，这对于长度可能超过1 0 米的球壳板的成型来说确实是一个巨大的挑战。不仅如此，由于球形储罐体积 庞大，不可能在制造车间内进行焊接组装，所有预制成型的球壳板必须运到使 用现场进行焊接组装。由于目前大多采用焊条电弧焊，现场焊接工作量和施工 难度巨大，焊接质量控制亦需要一些特别的措施。 球形储罐组焊完成后通常需要进行整体热处理，整体热处理需要在现场完成。 1 9 7 6 年东北工学院开发出高速喷嘴内部燃烧法现场整体热处理技术，并成功地 应用于辽阳化纤厂9 台1 3 5 0 m 3 球罐的整体热处理口j 。该技术一直沿用至今，并在 实际工程中不断政进，如采用均温伞罩来降低温度差，采用计算机自动控制等。 目前可处理体积高达1 0 0 0 0 m 3 的球罐。近几年，陈志华d , 5 1 等人开始用有限元方 法模拟整体热处理过程，这将有效提高我国球形储罐整体热处理的温差控制水 平。 球形储罐在服役过程中经常产生缺陷，旦产生泄漏、爆炸会造成极为严重 翁 天汁大学博士学位沦文 的后果，i 州此h 定期榆验申大量采川最为先进的检测技术，如声发射技术( a e ) 、 超声相控阵技术( p h a s e da r r a yt e s t i n g ) 、超声衍射技术( t o f d ) 、x 射线衍射 技术等。从某种意义上讲，球形储罐检测需求推动了检测技术的进步。 1 1 2 球形储罐的危险性 球形储罐通常用于存储易燃易爆、剧毒的液化气体或压缩气体，而 l 常常成 群布置。常见的介质包括液化石油气、液态丙烯、液态乙烯、压缩天然气、液 氨、压缩空气、环氧乙烷、氯乙烯等等。 严重火灾、有毒物质的扩散和严重 的财产损失以及人员伤亡，甚至会 引起居民的紧急疏散和社会恐慌， 这些后果是灾难性的。 文献【6 】汇总了一些典型的球罐 爆炸事故。 ( 1 ) 吉林球罐爆炸事故1 9 7 9 年 1 2 月1 8r 吉林市煤气公司1 0 2 号 4 0 0m 3 液化石油气球罐发生破裂，大 量液化石油气喷出，顺风向北扩散， 遇明火发生燃烧，并引起球罐爆炸。 大火烧了1 9 个小时，致使5 台4 0 0 m 3 球罐、4 台4 5 0 m 3 卧罐和8 0 0 0 多只 液化石油气钢瓶爆炸或烧毁，罐区 相邻的厂房、建筑物、机动 车及设各等被烧毁，4 0 0 多 米内的苗圃、住宅建筑、车 辆等受到损坏，破裂爆炸事 故造成3 6 人死亡，5 0 人重 伤，直接经济损失6 2 7 万元。 被炸毁的1 # 球罐如图1 3 所示。 ( 2 ) 北京东方化工厂爆 炸事故1 9 9 7 年6 月2 7 日 北京采方化工厂储罐区发 生泄漏和火灾，大火共烧毁 旦发生开裂泄漏，将会造成爆炸 图1 3 吉林事故中被炸毁的l # 球罐( 1 9 7 9 ) f i gi - 3t h ed e s t r o y e ds p h e f i c 村v e s s e ln o1 i n t h ee x p l o s i o no f j i l i na c c i d e n t ( 】9 7 9 ) 图1 - 4 北京事故中解体爆炸的乙烯球罐( 1 9 9 7 ) f i gl - 4t h ee x p l o s i o n _ f i i s a s s e m b l e de t h y l e n es p h e r i c a l v e s s e li nb e r i n ga c c i d e n t ( 1 9 9 7 ) - 3 - 第一章绪论 6 个】0 0 0 0 m 垃式储罐，导致乙烯b 球罐解体爆炸，己烯a 罐翻倒并鼓包开裂， 整个罐区大多数压力储罐不同程度的损伤或报废。虽然火灾最初起因不是因为 球罐泄漏，但球罐爆炸使火灾范围急剧扩大并造成无法控制。爆炸事故造成9 人死亡，伤3 9 人，直接经济损失11 7 亿元。解体爆炸的乙烯球罐如图1 4 所示。 ( 3 ) 西安球罐爆炸事故1 9 9 8 年3 月5 日，西安市煤气公司4 0 0 m 3 液化石油 气球罐底部法兰泄漏引起燃烧爆炸，并引发另一台4 0 0 m 球罐和3 台卧罐爆裂 燃烧。大火燃烧1 1 小时才得到基本控制。事故造成1 2 人死亡、3 0 人受伤，直 接经济损失4 7 7 万元。事故现场见图】5 。 图1 - 5 西安事故爆炸现场( j 9 9 8 ) f i gi - 5s i t es c e n e o f t h e x i a c c i d e n tr 1 9 9 8 ) ( 4 ) 墨西哥液化石油气供应中心爆炸事故1 9 8 4 年墨西哥培麦克斯公司液 化石油气供应中心的6 台球罐和4 8 台卧式储罐发生爆炸事故，爆炸及大火持续 3 6 小时。事故造成5 0 0 多人死亡，】0 0 0 余人下落不明，5 0 0 0 余人受伤，附近居 民1 5 0 0 所住宅被毁，3 0 0 0 0 人流离失所，成为历史上最为惨烈的压力容器爆炸 事故。 球形储罐的危险性促使工程技术界对之进行了广泛的研究，这些研究涵盖 了材料、强度、制造、焊接、无损检测、热处理、失效机理等。各国政府部门 也对之实施严格的强制管理。在我国，对包括球形储罐在内的压力容器的设计、 制造、安装、使用、修理、检验等各个环节实施强制管理制度p 】，设计、制造、 安装还颁布了专门的技术标准口】，使恶性事故得到了有效的遏制。然而，由于 各方面的因素，在役球形储罐的损伤开裂仍不能避免。 天津大学博f = 学位论文 1 1 3 在用球形储罐开裂失效的主要原因 在使用过程中，由于多种因素的作用，球罐经常会出现裂纹等危险性缺陷。 根据作者处理过的案例以及一些文献中的报道，球形储罐发生开裂的主要原因 归结如下。 1 1 。3 1 标准不够完善 ( 1 ) 尚没有针对疲劳工况下工作的球罐的专门标准。目前国内能够指导疲 劳球罐的分析设计标准【8 1 无法满足其特殊要求，如对焊缝表面打磨没有做出明 确规定等。 ( 2 ) 对整体焊后热处理的效果，特别是焊接残余应力消除效果，没有要求 进行效果评价。 ( 3 ) 没有对球形储罐的局部热处理做出规定，但工程中经常使用。 1 1 3 2 制造遗留缺陷扩展 ( 1 ) 虽然对球罐制造组焊过程提出了相对严格的控制要求，但目前常用的 磁粉检测和射线检测方法的缺陷检出率尚不能令人满意，致使现场组焊过程造 成的缺陷可能漏检，一些允许存在的缺陷在使用过程中也可能扩展。文献 9 1 报 道了一起横焊焊缝焊趾裂纹在使用中发牛扩展的典型案例。 ( 2 ) 一些特殊时期制造的球罐会存在严重缺陷。对前文吉林球罐爆炸事故 进行调查时发现其焊接质量很差，焊缝表面及内部存在很多咬边、错边、裂纹、 熔合不良、夹渣等缺陷，是一起典型的由于先天性缺陷引起的低应力脆性断裂 事故。 1 1 3 - 3 延迟裂纹 由于焊条烘干不良、焊接速度过快、末进行缓冷、焊后消氢不及时或不彻 底、焊接残余应力的存在，会在焊接接头位置或临时夹具焊接位置出现延迟裂 纹。虽然标准要求在焊后2 4 小时之后进行无损检测，但一些延迟裂纹的出现会 需要更长的时间，这些裂纹在首次开罐检验( 通常在投用一年之后) 时较为多 见。 1 1 3 4 疲劳裂纹 球罐在使用中压力经常性波动、频繁开停、疲劳工况等会在焊趾和其它应 力集中部位出觋疲劳裂纹。拉伸的焊接残余应力会加速疲劳裂纹成核和扩展【1 0 1 。 第一章绪论 1 1 3 5 应力腐蚀裂纹 应力腐蚀裂纹是目前导致球形储罐开裂失效的最常见凶素。它是在拉应力 和特定的介质环境共同作用下出现的种严重缺陷，通常发生在焊接接头和应 力集中部位。拉应力来源于焊接残余应力和工作应力。应力腐蚀裂纹经常出现 在焊缝及热影响区，因此焊接残余应力被认为是造成应力腐蚀开裂的主要因素。 常见的介质环境包括湿硫化氧环境、工业液氨环境等。液态烃类介质环境中的 应力腐蚀开裂有时还伴生有氢致鼓包。文献【1 1 】报道了一起典型的低合金高强钢 快速应力腐蚀开裂的案例，由于h 2 s 杂质的存在，使厚达3 6 m m 的低合金调质钢 在三周内裂穿并发生泄漏事故，最终造成整台球罐的报废。 1 1 3 6 修复裂纹 在使用过程中，球罐经常发现裂纹，需要补焊修复。由于球罐壁厚大，补 焊时拘束强，冷却速度较快，因此在补焊工艺不当时经常出现越焊越裂情况。 这种裂纹通常被认为是冷裂纹，但即使很好地控制了熔敷金属中氢的含量，仍 然可能产生修复裂纹，因此这种裂纹的产生以应力因素为主。天津石化公司空 分厂的4 0 0 m 3 氧气球罐在开罐检验中发现总计5 0 4 个安装定位块位置中，有约 8 0 位置存在裂纹。经过多次打磨补焊、两次整体热处理才将裂纹修复12 1 。该 球罐厚4 8 m m ，设计压力3 0 8 m p a ，补焊时值冬季，由于补焊预热温度不够造成 反复开裂。经分析认为原始裂纹为延迟裂纹。三个月后再次开罐检验确认没有 继续开裂，修复效果良好【1 3 i 。文献l 1 报道了另外一起补焊修复裂纹及其再修复 案例。 1 1 3 7 偶然因素 外部火灾、错误的操作、意外撞击、冷介质的意外流入等偶然因素会引起 球形储罐开裂甚至爆炸。 1 1 4 问题的提出 大量实践证明，球形储罐在使用过程中出现的裂纹大多与残余应力有直接 关系，有时焊接残余应力甚至是主导因素。事实上，应力是导致球形储罐失效 的基本因素。就目前压力容器的管理思路，裂纹类危险性缺陷不允许存在。裂 纹一经发现，必须打磨消除。当打磨深度超过限制时需要采用焊接方法修复i l 川。 由于焊接过程的固有特性，补焊部位不可避免地再次产生残余应力。对球 罐而言，由于厚度大，拘束强，补焊位置的残余应力通常会达到材料的屈服极 限【1 6 】，远远高于实际工作应力，因此按照国家标准的要求及从设备安全性考虑， 天津大学博士学位论文 补焊部位通常需要进行焊后消应力热处理。整体热处理效果虽好，但成本高 ( 1 0 0 0 m 3 球罐整体热处理一次花费高达1 5 - - 一2 0 万元) ，因此对补焊部位，工程 上一般采用局部热处婵。 目前国内外大多数压力容器压力管道标准规范中对局部热处理的规定仅限 于圆筒状或管状设备的环焊缝1 1 7 之，而没有给出球形储罐局部热处理的规定； 我国球形储罐专业标准1 2 1 中也未进行规定；这说明球形储罐局部热处理问题尚 未得到解决。 美国a s m e 锅炉压力容器规范第v i i i 卷三个分卷【2 2 2 4 】中给出了几乎完全相 同的球形储罐局部热处理的规定。指出局部热处理的“均热区域”( s o a kb a n d ) 应为圆形，其半径应当超出补焊区域一个板厚与2 英寸( 5 l m m ) 中的较小值。 这里“均热区域”指温度达到或超过规定恒温温度的金属区间。由于在局部热处 理过程中“均热区域”不能简单地认为是局部加热区域，因此这种要求在工程中 不容易应用。一些失败的局部热处理案例 2 5 , 2 6 】及本课题的前期研究表明，这种 控制方法并不恰当1 2 。 与整体热处理相比，球形储罐局部热处理具有成本低廉、工期短、操作简 便等非常明显的优势，因此在解决实际工程问题时经常采用。由于标准规范中 并没有给出规定或给出有效的指导方法，这种矛盾往往会使用户、检验机构和 修理单位陷入两难境地而难以抉择。显然，无论从经济性还是从设备安全性考 虑，球形储罐局部热处理这是一个亟待解决的问题。 与整体热处理相比，局部热处理不仅涉及升温速度、恒温温度、恒温时间、 冷却速度四大因素，还涉及加热范围、保温范围等特殊因素，如何合理选择这 些参数，保证局部热处理效果，是问题的关键。而现状是，学术界和工程界对 球形储罐局部热处理缺少基本的研究，工程中经常采用，却很少进行效果评价。 从已经公开发表的测试案例来看，球形储罐局部热处理参数的选择具有很大的 盲目性，并可能带来巨大的安全隐患。 1 2 球形储罐局部热处理的典型案例 局部热处理的基本目的是消除残余应力，但目前公开报道的实际测试案例 较少，原因之一是残余应力测试方法大多是破坏性的，如盲孔法等；x 射线衍 射方法虽然损伤小，但测试设备昂贵，使用成本高，一次测试需要数万元的花 费。另外的原因是工程界对局部热处理中残余应力消除的机理以及带来的负面 影响缺乏认识。这种现状使得局部热处理参数( 如加热区域) 的选择存在很大 的盲目性，大多凭经验进行，由于工程上很少进行直接评价，经验积累匮乏， 第一章绪论 这必然为设备运行留下巨大的安全隐患。 下面对公开报道的一些球形储罐局部热处理测试案例进行简要介绍。 1 2 1 案例一 文献1 2 5 1 报道了一起不成功的局部热处理案例。 燕山石化公司炼油厂某2 0 0 0m 3 液化石油气球罐投产后首次开罐检验时，由 于发现裂纹等严重缺陷，采用打磨补焊方法修复，然后进行了局部热处理。为 检查热处理效果及对比分析，在热处理前后均进行了残余应力测试。测试采用x 射线衍射方法。测试表明，两个补焊位置、8 个测点在局部热处理后的平均残余 应力为2 4 3 8 m p a ，与热处理之前相比，仅下降了2 2 8 ；而第1 0 号测试点( 未 进行补焊，因残余应力较高而进行了局部热处理) 残余应力在局部热处理之后 还有所提高，由热处理之前的4 6 8m p a 增加到4 7 9 m p a 。具体结果见表1 1 。 表1 1 局部热处理前后残余应力对比( m p a ) t a b l e1 1c o m p a r i s o no fr e s i d u a ls t r e s sb e f o r ea n da f t e rl o c a lh e a tt r e a t m e n tf m p a ) 测点编号补焊后( 热处理前)热处理后 15 4 85 7 24 4 44 5 2 23 9 34 4 03 1 02 7 6 34 5 21 3 13 5 4 43 8 74 9 42 9 82 8 8 2 12 lo1 0 2 2 23 4 64 5 69 0 2 32 11 0 26 6 2 42 2 83 2 81 1 4 l o4 6 83 2 84 7 9 1 2 2 案例二 文献 2 6 1 报道了两种局部热处理方法的对比。 天津泰达东方油气有限公司某l5 0 0 m 3 液化石油气球罐，用l6 m n r 材料制 成。在定期检验中发现大量裂纹，采用打磨补焊方式修复，然后进行了局部热 处理( 采用矩形电加热板) 。由于复检时又发现裂纹，因此怀疑局部热处理存在 问题，遂后进行x 射线残余应力测试。补焊区域9 个测点残余应力平均值为 2 7 6 m p a ，最大值高达4 3 0 m p a ，具体数据见表1 2 。因此认为：球罐经过补焊及 局部热处理后，残余应力水平仍接近或达到屈服应力，说明局部热处理没有起 到作用。局部热处理后的球罐图片见图1 6 。 天津大学博上学位沦史 表1 2 局部热处理历的硅余鹿力 1 h b 】ei 2r e s i d u a ls t r e s sa f t e r l o c a 】h e a t t r e a t m e n t 位置 型；( 融) 井上热影响l x8 2 2 4 字缝 左上热影响区 焊肉 f 热影响区 9 1 0 2 2 4 2 3 0 3 5 2 图i _ 6 失败的局部热处理后球罐的外貌 f i g1 6 a p p e a r a n c eo f t h es p h e r i c a lv e s s e la f t e ra n i n s i l c c e s s f u 】l o c a lh e a t t r e a t m e n t 进一步修理之后的局部热处理采用整环加热方式，并分别在热处理前后进 行点对点残余应力测试，结果见表1 3 。田见经过热处理后，残余应力明显降低， 1 2 个测点平均残余应力从热处理之前的3 3 3 m p a 下降到热处理之后的1 4 0 m p a ， 整体平均下降达5 8 。 第一章绪论 表卜3 整环热处理前后残余应力对比( m p a ) p 望型执处理前 热处理后 陆冒型热处理前 热处理后 位置点“。“ 。“ 位置 点 “。“”二“”8 号 o xo x 号 6 xo x 环 上热影响区 i3 6 51 1 2 环 上热影响区71 6 21 1 8 缝焊肉 2 3 6 21 0 5缝焊肉 83 7 4 9 i 下热影响区3 3 0 62 3 4 i l 下热影响区93 3 71 8 7 上 左上热影响区42 5 21 6 2 f 上热影响区1 0 4 3 6 1 3 7 丁 焊肉 53 2 11 1 2 丁 j p r - i 为 ： 4 3 61 6 2 字宁 缝 下热影响区62 3 7 1 9 4 缝 左下热影响区1 2 4 0 6 1 6 8 1 2 3 案例三 文献【2 8 】报道了球形储罐火焰加热局部热处理一种方法。首先采用火焰加热 补焊区域内表面( 补焊焊缝位于外表面) ，加热区域为半径2 0 0 m m 的圆形区域。 当补焊焊缝表面温度达到6 0 0 后，将火焰外移，加热半径为2 0 0 - 4 0 0 m m 的环 形区域，并恒温。在冷却后用d , ：f l 法测定残余应力，结果发现不仅较好消除了 焊接残余应力( 热处理前最大应力为3 3 6 m p a ) ，一些测试点还产生了压缩应力。 结果见表1 4 。进行模拟试验的球壳板材料为b s l 5 0 1 2 2 4 3 2 a - l t 3 0 ，壁厚为 3 8 m m 。 表l - 4 局部热处理后残余应力测定结果 t a b l el - 4t h em e a s u r e dr e s i d u a ls t r e s s e sa f t e ri o c a ih e a tt r e a t m e n t 测点测点 o xq 测点测点 o x o y 编号位置( m p a ) ( m p a )编u -位置 ( m p a )( m p a ) 5焊缝1 6 6 11 7 7 81 3母材1 6 11 3 8 5 6焊缝1 2 58 7 31 4母材4 8 45 8 4 7母材2 52 0 81 5母材 8 87 9 2 8母材9 0 91 6 3 31 6母材1 5 4 7 2 0 2 9 母材8 0 6 9 8 61 7母材9 6 31 4 9 3 1 0母材2 8 51 2 3 41 8母材1 0 0 91 1 8 5 l l 熔合线1 5 2 61 8 4 11 9母材5 4 41 6 2 8 1 2熔合线5 4 7 2 6 2 0母材一1 3 82 8 天泞大学博士学位论文 1 2 4 案例小结 上面的典犁案例说明，对球形储罐局部热处理还没有达到能够有效控制的 程度。文献【2 8 】似乎可以被认为是个成功的案例，该文中首先用一片废弃的球壳 板进行了局部热处理试验，然后才进行球罐的热处理。虽然该文献仅测试了外 表面的残余应力，但似乎仍能说明一个问题：局部热处理的效果可能与加热方 式( 集中的和或分散的) 、加热次序榔切相关。 1 3 局部热处理的研究现状 对球形储罐局部热处理的系统研究未见文献报道。目前对局部热处理问题 的研究限于管状设备，其研究的思路及结果对本文的研究具有重要指导意义， 因此下面进行简要的总结分析。 1 3 1 局部热处理研究概述 许强等人1 2 9 j 针对某大型圆筒状压力容器进行了一些局部热处理试验研究工 作，是国内报道的早期工作之一。在筒节焊完后，对整条纵焊缝进行局部热处 理，当整个设备制造完成后，再对环焊缝逐条进行局部热处理，以此完成了长 1 4 m 、直径3 m 、体积l o o m 3 大型液化石油气储罐的所有热处理工作，解决了大 型卧式容器整体热处理的难题。选择返修位置、纵焊缝、环焊缝、丁字缝等四 个位置，采用磁性法分别测定了热处理前后的残余应力水平，结果表明，二次 局部热处理方法的焊接残余应力平均消除率可以达到5 7 。 汪建华、陆皓等人利用数值模拟方法对管状元件环焊缝的局部热处理问题 进行了较为系统的研究1 3 0 m j 。有限元分析模型中考虑了材料热物理性能及力学 性能随温度的变化，并引入了材料性能的时间相关性即粘弹塑性。研究分析了 局部热处理本身带来的残余热应力形成过程以及管子半径r 与壁厚，对焊接残 余应力消除效果的影响，提出了基于焊接残余应力消除效果的局部热处理加热 宽度准则，即加热宽度2 b = 5 胁时焊接残余应力消除效果达到最优。但研究中 没有给出局部热处理过程中瞬态温度场的模拟方法。 在上述研究的基础上，针对广泛用于压力容器和管道系统的分支接管结构， 陆皓等人研究了该位置角接焊接接头的局部热处理问题i3 5 】。研究中采用热弹塑 性有限元方法构造了单道焊条件下的焊接应力，利用粘弹塑性有限元方法对管 接头局部热处理相关力学行为进行了数值分析，得出了正交管接头局部热处理 加热宽度2 b o 的推荐值为2 e = 2 w + 4 8 4 r ，( 式中w 为管接头在主管上的焊缝 第一章绪论 长度，尺为主管的内半径，为主管的壁厚) 。但研究中构造管接头局部热处理 温度场时假定在均温区全部表面单元均可按给定的热处理曲线控制，且在加热 宽度范围( 2 8 0 ) 内保持外表面温度一致，虽然这样可以保证交贯线附近区域温 度差在整个局部热处理过程中控制在3 0 范围内，但工程实现比较困难。在温 度场的构造上可能存在严重与实际不符问题。研究中并未给出面向工程实际的 控制方法，这从某种程度上会限制该研究成果的工程应用。 2 0 0 6 年，陆皓等人对c r m o 钢管子焊后局部热处理加热宽度准则进行了研 究【3 倒。研究表明当保温宽度大于加热宽度的两倍时，对残余应力的影响很小， 甚至可以忽略不计。该项研究还得出，蠕变参数的取值对局部热处理后的计算 残余应力有相当大的影响，局部热处理后的残余应力主要受低应力载荷下的蠕 变数据控制，但没有给出蠕变参数影响的具体数据。 1 3 2 局部热处理的效果评价 局部热处理用于整体热处理无法进行的时候，主要目的是消除焊接( 包括 补焊) 带来的残余应力，并改善焊缝及母材的组织和性能，因此局部热处理的 效果评价均围绕这些目标进行。 局部热处理与整体热处理的最大区别在于局部加热，因此，它与焊接过程 有相近之处，即局部热处理本身可能会带来残余应力，因此评价局部热处理的 效果，需要研究局部热处理本身带来的残余应力。 美国a w sd i 0 1 0 标准i3 7 】中对管子环焊缝局部热处理加热带宽的取法有两 个准则，即：h b i 准则和h b 2 准则。h b l 准则的目的是为了防止局部热处理引起 过大的热应力，h b 2 准则的目的是为了防止均热区厚度方向产生过大的温差。实 际应用中应当取用两个准则的较大值。 h b i = = s s + 鹏川( 竿一d ) ) ，。 日：丝l 一 。 2 a 。+ a 。 式中： f i b 为英文h e a tb a n d 的缩写，表示加热区域的轴向宽度； s b 为英文s o a kb a n d 的缩写，代表均热区域的轴向宽度，根据经验，s b 取 4 t ： 天i # 大学博士学位论文 厂为管子内半径； ，为管子壁厚： d 为管子外径； d 为管子内径； ，为加热区和热损失区的比率，根据经验，只取5 ； 彳，、为管子外表面热源覆盖面积： 氏为管子厚度方向截面积； 彳，为均热带内表面面积。 基于粘弹塑性理论和系列有限元分析，汪建华、陆皓等人【3 8 ，3 9 1 提出了基于 残余应力消除效果的直接评定准则和基于改善焊接接头性能的均热区温差准 则