国内球罐焊后热处理技术

技术综述国内球罐焊后热处理技术刘超锋,刘亚莉,许培援,戚俊清郑州轻工业学院材料与化学工程学院,河南郑州450002摘要概述了球罐的应用及对焊后热处理的要求,详细介绍了国内球罐热处理技术的新进展,包括电加热法、爆炸法、内燃法、电加热辅助燃油法,还展望了该领域技术的发展前景。关键词球罐焊后热处理技术中图分类号TU996文献标识码A文章编号10014837200609003806TECHNOLOGYOFPOSTWELDFIELDHEATTREATMENTPROCESSUSEDBYSPHERICALTANKSINCHINALIUCHAOFENG,LIUYALI,XUPEIYUAN,QIJUNQINGSCHOOLOFMATERIALSANDCHEMICALENGINEERING,ZHENGZHOUUNIVERSITYOFLIGHTINDUSTRY,ZHENGZHOU450002,CHINAABSTRACTTHEAPPLICATIONANDREQUIREMENTOFPOSTWELDHEATTREATMENTUSEDBYSPHERICALTANKSARESUMMARIZED1ACCORDINGTOSTEELUSEDBYSPHERICALTANKS,HEATPROOFTEMPERATUREHOLDINGMATERIALSUSEDBYSPHERICALTANKSANDFIELDHEATTREATMENTUSEDBYSPHERICALTANKS,TECHNOLOGYOFPOSTWELDHEATTREATMENTUSEDBYSPHERICALSTANKSINCHINAWEREREVIEWED1KEYWORDSSPHERICALTANKSPOSTWELDHEATTREATMENTTECHNOLOGY球罐作为一种高效的类存储容器,在我国应用广泛。球罐工作时,压力呈周期性波动,存在着低循环疲劳问题,疲劳破坏是其失效形式的一种。球罐设计、制造时,在保证一定的强度条件下,应尽可能提高材料的塑性、韧性、优良的焊接性。近几年来,球形储罐有朝着以高强钢为主体材料的趋势。高强钢材料的许用应力值高,同样容积的球罐就可选用厚度较薄的钢板,能满足球罐大型化发展的要求。但是球罐是一种受焊接约束较大的压力容器,随着大型化发展,国、内外大量事故分析及开罐检查的结果表明,高强钢球罐的裂纹产生往往发生在焊接接头部位。因此,对球罐用钢的冲击韧性、焊接性能提出了更高的要求。例如,液化石油气球罐,由于其能量的积聚极大,对壳体材料除要求有足够的强度外,其韧性、焊接性能及冷热加工性能也是选材时主要考虑的因素,以保证球罐在可能出现事故时有足够的韧性而不至于突然断裂乃至爆炸。另外,钢材的抗H2S应力腐蚀性能也是液化石油气球罐用材不可忽视的因素。国内研究者曾报道3,对焊后不进行消除应力热处理的3500M3天然气球罐球壳板材料WELTEN610CF,在气压试验前后对焊缝残余应力测试,测试结果表明,经气压试验后焊缝残余应力有一定下降,球罐焊缝及热影响区没有出现明显的应力集中现象,球罐壳体的工作应力叠加残余应力的总和仍小于材料的屈服限。由合肥通力工程建设监理公司监理的西安天然气公司潘家庄储气站10000M3天然气球罐4由法国CMP公司按CODAP95非直83接受火压力容器建造规范及法国压力容器安装手册设计制造,主体材料为A537CL1,设计安全系数为214,壁厚较薄,尽管该球罐设计规定不作消氢和整体SR处理,但是在组装、焊接顺序、焊接工艺等方面要有完善的实施措施5。一般来说,高强钢制造的球罐在组装过程中,由于施工条件恶劣,壳体大,焊缝长,冷却速度很快,钢板厚,焊接热循环次数多,应力状态复杂,容易产生变形,在球罐焊缝区造成很大的焊接残余应力和制造应力,有的可达到材料的屈服极限6,危害极大,有必要对球罐进行焊后消除应力处理。例如文献7和8采用X射线法对某炼油厂2000M3液化气球罐实际运行一年后的残余应力进行了测试,结果发现球罐组装时虽经过整体热处理,但运行一年后局部残余应力仍高达019S等问题,采取局部热处理等措施,残余应力总体水平有所降低。在焊接过程中由于焊缝金属的收缩以及整个焊接区域的不均匀加热和冷却,仍会在焊缝附近产生残余应力,需采取消除残余应力的措施。除喷丸法以外,采用“逐层锤击波”可消减补焊所造成的焊接应力9,每层的锤击时间为23MIN。球罐安全系数比较小NS117,壁厚相对薄些,介质是氧、氮等气体时,可采用温水超载水压试验消除法10对于安全系数比较大NS2的新建球罐,壁厚相对厚些,介质是具有腐蚀作用的液化石油气、液氮等时,须采用高温整体热处理方法。球罐焊后整体退火处理是采用在球罐外部包裹保温材料、内部进行加热球形贮罐的焊后整体退火。但是,为了防止球罐顶部过热,在球罐里面的上部加上挡热板11在球罐的支柱底板下面,需设计热处理垫板,在支柱底板上开长圆孔12,使得整个滑动体系中存在两个滑动面,保证在进行热处理时支柱能够向外侧移动,满足热胀补偿。1球罐用钢简介球罐安装时需根据所选用的材料制订热处理工艺,以提高材料的抗拉强度和改善显微组织结构,降低焊接残余应力,提高材料疲劳极限。一般的球罐用钢如16MNR,20R,I5MNVNR,16MNDR,15MNVR及进口钢材的SPV355N,SPV490N,A537等钢种。目前,国内生产的球壳板有16MNR、15MNNBR、07MNCRMOVR、07MNNICRMOVDR、SPV355N按日本JIS标准生产等13。吴创明14曾对天然气球罐的选材进行了技术经济比较,建议对3000M3以下的球罐选用国产16MNR,对5000M3及以上的球罐选用进口CF62高强钢板。但这两种材质建造的球罐焊后都应采用内燃法进行整体消除应力热处理。上海石洞口煤气制气公司的代用天然气工程中,有2台LPG球罐2000M3,材质为16MNR15。该球罐的焊后整体热处理工艺见图1。图1球罐整体热处理工艺WELTEN610CF是由日本新日铁开发的一种碳含量0109的600MPA级低合金调质高强钢6。该钢材制造的球罐按图纸要求不进行焊后消除应力热处理,但在焊后必须立即进行后热处理,后热温度200250,时间为015H,利于焊缝中扩散氢的逸出,防止裂纹产生。另外,按JIS0203中3510规定进行淬火加回火,标准抗拉强度最低值不小于620MPA的调质高强度钢用于球罐公称容积大于或等于4000M3,工作压力大于116MPA时,球壳用调质高强度钢板17比用16MNR经济。但是,焊后必须进行消除应力热处理,热处理温度应低于钢板的回火温度2030,以防调质性能被破坏。中石油大连石化公司建造的8000M3液化石油气球罐18,是我国此前自造的体积最大的球罐。该球罐球壳选用日本NKK公司的NKHITEN610U2高强度钢钢板,因国内对大型球罐进行整体热处理尚缺乏一定的经验,但需在制造厂对组焊部件进行局部消除应力热处理。焊后热处理因无大型热处理炉,用电加热局部热处理方法。大型热处理炉成为提高该材料制造的球罐的热处理质量的关键。合肥通用机械研究院、重钢、兰州化机厂、北京重机、冶建总院、十三冶等单位共同研制了国内首台12M315MNNI钢19氧气球罐。15MNNI钢是一种强度不太高300400MPA,但韧性好,尤其是低温韧性良好的钢种。拟用于城市煤气等球罐用钢。15MNNI钢是在15MNVR的基础上,降低V、P、S的含量,同时添加012015的NI,既保持了15MNVR的强度,同时又具有良好的低温韧性。在球罐焊接、探伤、焊缝返修完毕、球罐外观和资料的审查,通过了预交工方可进行热处理。伊春市西林钢铁厂氧气球罐工程采用的热处理温度加热温度56058093第23卷第9期压力容器总第166期WWWBZFXWCOM,保温温差80,300以上加热速度50/H,保温时间85MIN,降温速度30/H300以上,降温温差45,300以下,速度不限。宝钢三期工程建设中开发的细晶粒高强度钢P640NL1一种纯净度高的、以正火加回火NT状态使用的、具有高强度和高韧性的钢材在应用于氧气球罐之前,进行的焊接裂纹试验研究和球罐运行三年后的开罐检查。结果表明20,21P640NL1钢不仅具有良好的抗冷裂纹能力而且对再热裂纹不敏感。采用GJB606RH焊条交直流两用超低氢焊条建造的该钢球罐,经三年运行后开罐检查证明球罐的总体焊接质量良好。但该含钒的细晶粒高强钢,采用较高的热处理温度580会导致20以及低于20温度下,焊接接头热影响区的低温韧性明显降低。2球罐焊后热处理用保温材料简介球罐外表面保温效果的好坏,直接影响热处理工作能否顺利进行,对能量消耗和处理时间长短的影响也很明显。热处理时,为了减小热能损失,应采用耐热性和保温性能好的材料对球罐进行保温。根据GB12337钢制球形储罐和GB50094球形储罐施工及验收规范,热处理时保温外表面温度不高于60。球罐热处理前,球罐上部和下部除烟囱和喷嘴所占用的人孔外,其它接管口必须用保温材料密封。球罐支柱保温应从支柱上端向下保温至少115M。顶部烟囱也应保温1M以上。所有接管法兰及球壳板上的焊接联接板全部用保温材料盖严压实,防止外露。中原油田石化总厂新建3座400M3丙烯球罐时,采用耐热性和保温性能好的硅酸铝岩棉毡被对球罐进行保温22,效果不错。倪家利等23在江阴南荣石化有限公司建造5000M3丁烷球罐进行热处理时,则在球罐外表面用钢带固定二层保温毡,第一层为导热系数和比热容较低的超细无碱玻璃棉毡,接触球本体,第二层为有碱玻璃棉毡,使用效果较好。上海高桥化工厂的两台丙烯球罐24由中国石化集团第十建设公司承建,该球罐焊后现场热处理所采用的保温层内层为硅酸铝,中层、外层为超细玻璃纤维棉,用钢带保温钉固定,再用铁丝包紧加固。福建炼油化工有限公司07MNCRMOVR钢制2000M3球罐25再热裂纹修复工艺技术裂纹的清除、焊前预热、焊接返修、焊后消氢处理、无损检测、对补焊的焊缝部位进行局部热处理、热处理之后的无损检测,其中,热处理采取的是内、外双面保温措施,保温材料为硅酸铝毯,厚度为50100MM。此外,国内有关球罐用的保温材料的发明有两项。田洪英26按表1的配方,先用水和渗透剂浸泡矿渣棉、硅酸铝纤维,再加入水和耐火土,石棉,海泡石,漂珠,珍珠岩搅拌成为膏状时,加入粘结剂,增稠剂和聚丙烯酰胺溶液,发明一种用于球罐体的保温材料。该保温膏产品粘结力强,导热系数低,保温性强,成本低。表1一种保温膏配方矿渣棉硅酸铝纤维水和耐火土石棉海泡石漂珠珍珠岩重量份数51051020252530202510153035现有聚胺酯泡沫,珍珠炭等保温材料的热损失大,抗冲击能力差,使用寿命短,王琦27发明一种按表2的配方混配而成的保温材料见表2。该材料相比现有保温材料,综合造价低,施工方便,使用寿命长的优点,可应用在球罐上。表2一种保温材料配方氧化镁氯化镁聚胺酯泡沫粉锯末粉煤灰改性强化剂重量比10150175012015501101301101250101501033球罐现场热处理近年来一些企业采取了对球罐焊缝喷铝或涂刷环氧系涂层塑料等技术,降低产生应力腐蚀敏感性,以延长断裂时间或延缓氢鼓包HB。例如河南油田石蜡精细化工厂的一台200M3的16MNR液化气球罐在定检中在一块瓜片上发现10处鼓包。而液化气储罐一旦出现氢鼓包,其发展为开裂的速度往往在一年之内。为此,该厂采用热喷涂铝加环氧基有机复合物封闭层工艺技术28,使喷涂后的球罐没有新增鼓包的出现,原有鼓包也没有继续发展。但这样做的前提是球罐必须进行过焊后热处理,否则不仅不能完全避免缺陷的发生,还会因为不能及时发现缺陷酿成更大的事故。另外,球罐容积大、壳体壁薄、球壳板刚度较小,在组装过程中不可避免地产生较大的组装与焊接残余应力和变形,因而根据要求进行焊后整体热处理对该球罐的安全使用意义尤为重要。对球罐进行焊后整体热处理,可消除由于组装和焊接引起的残余应力,改善焊缝、热影响区的04CPVT国内球罐焊后热处理技术VOL231NO92006WWWBZFXWCOM组织及性能、析出焊接溶解氢、缓解氢脆和延迟裂纹等,这对于确保球罐安全运行并使其达到技术要求尤为重要。球罐整体热处理还可稳定结构尺寸,改善并使淬火组织软化,细化晶粒,从而改善焊接接头的性能,降低硬度,提高塑性及断裂韧度,提高疲劳强度,提高抗应力腐蚀能力,避免延迟裂纹的产生。故焊后整体热处理是球罐现场组焊施工中重要工序。对钢制球形储罐进行整体的焊后热处理是一个较为复杂的技术问题。天津泰达公司1台1500M3的16MNR液化石油气球罐,建造时经整体热处理,运行4年后在检修中发现大量裂纹。张亦良等29用X射线法对该球罐进行了系统的残余应力测试。结果表明,焊缝附近残余应力总体水平较高,显示当初的热处理效果不理想。球罐大修补焊及采用铺设电阻丝带的局部热处理方法进行了焊接部位整圈热处理后在相同位置重新进行测试,结果表明,残余应力整体下降约50。目前,国内外针对球罐焊后整体热处理的施工方法有电加热法、爆炸法、震动法、内部燃烧法以及化学加热法等,而应用较为普遍和安全的主要为电加热法及燃油法内部燃烧法这两种施工方法。311电加热法电加热法整体热处理的优点是电能损耗不大,可将焊接接头加热到正常化温度或奥氏体化温度该法容易实现工艺过程自动化,控制精度高,但是要消耗大量的电能,而施工现场又往往难以提供足够容量的电能,即使具备,在送电期间也会使其它大中型用电设备被迫停车,这样无形中也影响了整个工程的施工进度,另一方面巨大的电能消耗会导致施工成本急剧增加,所以只适用于400M3以下小型球罐的热处理。312爆炸法30王南海等以炸药做能源,将炸药放在容器、管道一定位置上引爆,由水将能量传递到容器、管道上。其成本仅为普遍采用的内燃法成本的千分之一、生产周期的百分之一。但是,需要指出,尚未见到爆炸法在实际工程中应用的文献公开报道。313内部燃烧法目前,使用燃料加热的方式以其处理周期短、施工方便、成本低、适应性好等优点而被普遍采用。燃油法优点是灵活性大,既可以对难以接近的焊接接头进行热处理,也可以在缺少电能的场合下进行热处理。其工艺原理是将燃烧器置于球形储罐内下人孔中央附近,以柴油为燃料,用压缩空气将柴油雾化点燃,加热球形储罐,按照工艺要求使球壳板温度以一定的速度均匀上升,达到一定的热处理温度,并根据需要保持一定的恒温时间,再以一定的降温速度均匀下降,降至环境温度即完成了热处理过程。在16MNR的基础上添加NI、NB、V等合金元素所得到的钢种15MNNBRWH530钢,强度、韧性和焊接性能都得到改善。该钢种用于建造2000M3液化石油气球罐,除需要设计焊接材料、焊接预热温度和焊接工艺参数范围外,还需确定焊后热处理工艺。为此,陆戴丁31等分别选560、580、600、620做为应力消除热处理温度,焊后热处理保温时间均为115MIN,升温速度和冷却速度控制与母材试验相同。结果表明,随着SR温度升高,焊接接头强度略有降低,但仍高于其标准要求焊缝金属冲击吸收功有所提高,热影响区冲击吸收功则无明显变化,焊缝及焊接热影响区的常温及20冲击吸收功则均远高于技术要求常温AKV34J或20AKV31J。该钢焊接接头在560620温度范围内选择SR处理温度可行。但是,随着球罐的大型化发展,整体热处理施工的技术难度越来越大。热流控制装置是热处理成功的关键。温控装置的使用避免了通常情况下整体现场热处理球体上部温度高于下部温度的难点。使热流沿球壳表面真正弧形流动是大型球罐现场整体热处理中各处温度受控的关键。陈志华等32、33对大型球罐内部喷射燃烧整体热处理时,在有、无反射板的条件下对整体热处理内部流场分别进行了数值模拟,对比分析发现,由于反射板的安装,使得球罐内部气流循环得到加强,球罐上、下内壁面温差及局部壁面温度梯度都有所降低,从而提高了球罐整体热处理质量,并能满足球罐整体热处理的工艺要求。兰州石化公司4000M3球罐采用欧科喷嘴DCS自动控制技术34整体热处理,该技术要求球罐外部用保温材料进行绝热保温,内部设置导流伞,通过导流伞使热气流产生反射、旋转和对流,保证球罐整体温度均衡。中石化沧州分公司1000M3丙烯球罐的均温措施在球罐内部用钢筋、铁丝网、硅酸铝软毡耐高温在1000以上做一个直径为4M的伞罩35,见图2,吊挂在距下人孔1/3球罐内径左右位置,使火焰分布更为均匀。建峰化工总厂化肥厂从法国引进年产30万T合成氨装置中,在2台5000M3液氨球14第23卷第9期压力容器总第166期WWWBZFXWCOM罐36内下人孔的一定高度范围内装设自行研制的专用热流控制装置,解决热流走向,使球罐底部升温与赤道带以上均处于控制范围内。图2球罐热处理用的使火焰均匀的内部结构伞罩内燃法的国内发明专利有4件。中国化学工程总公司第九建设公司张大祥等37发明对20005000M3的球罐整体燃油热处理方法以球罐为炉膛,在球罐下入孔设置引风装置、点火器和高速喷嘴,为点火器配置液化气源,为高速喷嘴配置供风系统和供油系统在球罐的上入孔设置由碟形挡板和烟囱组成的排烟系统在球罐的外表面设置由绝热材料构成的保温系统在球罐的外表面固定多个热电偶使用多个喷嘴加热,在球罐内的下部增加反射装置以改善火焰和热气流的回转规律,并用多个供风系统和多个供油系统为多个高速喷嘴中的每一个喷嘴分别单独供风、供油采用由多个热电偶和与它们相配的多个补偿导线以及一台微机组成的温度监视和记录系统来监视和记录球罐的温度。此外,为解决因压缩雾化点燃的火焰仅靠自然进入或负压引入球罐而难以对5000M3以上的大型球罐进行热处理的问题,傅家仁38提出的热处理方法以所要整体热处理的球罐为炉膛,用工业锅炉燃烧器取代高速喷嘴,将燃烧器与球罐的下人孔密封对接,燃烧器将来自于储油罐的燃油压缩雾化点燃,燃烧器内的鼓风机对火焰施加助燃风强迫火焰进入球罐内部燃烧,安装在球罐的上人孔上带有挡板的烟囱对球罐内的压力进行调节,使火焰在球罐内充分燃烧。针对原有燃烧组件的火焰所需二次风仅靠自然进入或负压吸入球罐、反射圆盘易被烧毁而不能对大型球罐进行热处理,傅家仁39,40公开了一种大型球罐整体热处理装置,解决了该问题。多年来,尽管球罐整体热处理技术有了很大的发展,但是仍然处于人工手动控制阶段,热处理效果受人为因素的影响比较大。在该过程中,由于供风量、供油量及风油比的控制是采用人工控制,难以保证供油、供风的比例,且热工参数的计算也无法实时进行,使热处理结果不十分理想。采用计算机可以实现热处理过程的供油、供风、风油比的自动控制,实现对温度变化的显示、记录、打印等监控功能。例如,大庆油田安装工程有限责任公司李万宝等41提出的一种球罐热处理自动控制装置。该技术具有控制精确、热处理过程平稳的特点。该技术的主要措施42在原供油系统的工艺流程上进行改造,将转子流量计换成超声波流量计,在流量计的下游侧加装电动调节阀,在回流管线上加装电动调节阀和压力变送器,以调节流向燃烧器的油量和供油系统的压力,使之达到燃烧要求在空气储罐出口管线上加装电动调节阀和压力变送器,根据热工计算结果来调节供风量的大小,以达到热处理要求的风油比。314电加热辅助燃油法43该法分两步进行,第一步采用燃油法内燃法使轻柴油点燃并雾化后,在球内靠对流和辐射来加热球体第二步采用电加热法在球罐内部下极板处适当地敷设电加热器,以有效地减小球罐内部的温差,从而提高球罐的热处理质量。该工艺适用于400M3以上大容积球罐的焊后整体热处理施工。4结语1球罐用隔热保温材料对于球罐的场热处理很重要,今后应关注国外大型球罐用保温材料的发展动向,开发出更多适合我国需要的材料2爆炸法成本较低,但技术上控制较严,内燃法现场热处理的效果影响着该技术的推广,电加热辅助燃油法的优点值得关注,在采用内燃法时引入计算机控制系统有望解决该技术的难题。此外,内燃法大型热处理炉成为提高8000M3球罐的热处理质量的关键。有必要开发大型热处理炉。3球罐在使用过程中不可避免地会出现裂纹等缺陷,需补焊修复,采用非整环加热局部热处理。但是采用多大的加热面积、保温面积才能使效果最好,也值得研究。参考文献1李友,等1球形储罐焊后热处理J1金属热处理,2002,273424412王中光,等1材料的疲劳M1北京国防工业出版社,1999111914213杨铁成,等13500M3天然气球罐应力测试J1压力容器,2003,201043484何佩排,等10000M3天然气球罐安装工程监理J压力容器,2002,1922124,2024CPVT国内球罐焊后热处理技术VOL231NO92006WWWBZFXWCOM5杨开武,等大型天然气球罐现场安装的技术分析J煤气与热力,2005,25429326王嘉林球型储罐建造技术M北京中国建工出版社,19903477张亦良,等2000M3在役压力容器应力状况分析J实验力学,2001,1632762828孙耀峰,等2000M3球罐残余应力、工作应力对比分析J北京工业大学学报,2001,2744604659岑树海2000M3球罐焊缝裂纹分析及处理办法J广西大学学报自然科学版,2004,29318718910王清钢制球罐焊接质量分析与裂纹控制J化肥设计,2004,421343711阮鑫,等浅谈球罐特殊环境中的焊接与热处理J化工设备与管道,2003,403495112胡跃华,等2000M3丙烯球罐国产化设计J压力容器,2002,1911151913王冰,等大型天然气球罐的设计和材料选用J油气储运,2003,228151914吴创明天然气球罐与管道选材的探讨J煤气与热力,2004,24951051415朱光照LPG球罐的焊接J焊接,2005,1394116王焕军低合金调质高强钢球罐的焊接质量控制J焊接技术,2004,335505117俞文娣调质高强度钢制球罐设计的几个问题J化工设备与管道,2000,3272818刘福录,等8000M3液化石油气球罐制造技术J石油化工设备,2000,295394219杨萍,等12M315MNNI钢氧气球罐的建造J山西建筑,2004,3010656620李平瑾,等细晶粒高强度钢在氧气球罐上的应用一钢材和焊材的性能试验和评定J压力容器,2002,1910131621杨成领,等细晶粒高强度钢在氧气球罐上的应用二焊接裂纹的试验研究以及开罐检查J压力容器,2002,191147,1422张雪冰,等内部燃油法热处理工艺在球罐制造中的应用J石油工程建设,2005,313545523倪家利,等高速燃油喷嘴在球罐焊后整体热处理中的应用J安装,200