壓力容器焊接應(yīng)力的消除

1、壓力容器焊接應(yīng)力的消除、尸、 亠前言壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于化工、 煉油、機(jī)械、動(dòng)力、核能以及運(yùn)輸?shù)裙I(yè)部門。隨著工業(yè)不斷發(fā)展， 壓力容器的操作條件越來越苛刻，壓力從高真空到幾萬個(gè)大氣壓，溫度從超 低溫到幾千度，尺寸也越來越大，某反應(yīng)堆容器內(nèi)徑達(dá) 6m 多，結(jié)構(gòu)也越采 越復(fù)雜。同時(shí)，壓力容器所處理的介質(zhì)往往又是易燃易爆或有毒的，一旦發(fā) 生事故，將給國家財(cái)產(chǎn)和人民生命帶來不可估量的損失。所以加強(qiáng)壓力容器 的制造質(zhì)量控制是非常必要的。1、焊接應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理及危害壓力容器制造中，焊接和熱處理是制造工藝中的關(guān)鍵工序。在焊接過程 中，存在著三種附加的內(nèi)應(yīng)力，即焊接接頭各部

2、位受熱及冷卻速度不同產(chǎn)生 的熱應(yīng)力；金相組織變化產(chǎn)生的組織應(yīng)力和施焊時(shí)容器結(jié)構(gòu)本身的約束產(chǎn)生 的拘束應(yīng)力 如果焊接工藝控制不當(dāng)， 這些應(yīng)力過大將導(dǎo)致裂紋萌生。 另外， 由于材料的冷熱加工成型工藝不當(dāng)，將使受壓部件韻成型尺寸超差，若 再采用強(qiáng)制組裝焊接的方法，還將引起附加的強(qiáng)制組裝應(yīng)力。這些應(yīng)力在一 定條件下，影響著焊接結(jié)構(gòu)的性能。同時(shí)，對(duì)于某些結(jié)構(gòu)件，所采用的焊接 方法、焊接位置和焊接工藝的不同，往往會(huì)引起焊接時(shí)產(chǎn)生輕微的空冷硬化 現(xiàn)象如效果。據(jù)報(bào)導(dǎo)，美國 1984年發(fā)生的一起單乙醇胺 (MEA) 吸收器容器焊接接頭破 壞事故，導(dǎo)致 17 人死亡，財(cái)產(chǎn)損失超過一億美元。 該容器為圓筒形， 直徑

3、為 2.6m,長(zhǎng)度為16M，壁厚為25.4mm,是按照美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME)規(guī)程中的部分規(guī)定設(shè)計(jì)制造的，該容器主要充裝丙烷和硫化氫，工作溫度為37.8C,內(nèi)壓為10PMa。據(jù)198S年發(fā)表的研究報(bào)告中公布的結(jié)果，其中一個(gè) 原因就是因?yàn)樵撊萜骱负髞斫?jīng)熱處理 （這是因?yàn)?ASME 規(guī)程中沒有規(guī)定 ），結(jié) 果，焊接熱影響區(qū)存在潛在的對(duì)裂縫敏感的冶金組織、 硬度變化和殘余應(yīng)力， 三種因素在不同化學(xué)介質(zhì)和操作溫度下，共同產(chǎn)生不同類型的、由使用誘發(fā) 的裂縫。該報(bào)告的建議中提出必須對(duì)可能產(chǎn)生熱影響區(qū)硬化的焊接接頭進(jìn)行 預(yù)熱和焊后熱處理，使將來出現(xiàn)問題的幾率減到最小。由此可見，焊后殘余 應(yīng)力的消除是至

4、關(guān)重要的。長(zhǎng)期以來，傳統(tǒng)的消除殘余應(yīng)力方法是采取焊后熱處理方法，因?yàn)樗?改進(jìn)焊接接頭質(zhì)量的重要方法之一，但并不是唯一的方法。下面對(duì)幾種方祛 加以介紹分析。2、焊后熱處理 焊后熱處理，也稱消除應(yīng)力熱處理或消除應(yīng)力退火。這一方法早巳被用 來作為提高焊接產(chǎn)品質(zhì)量的手段，并在世界各國標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)程里作了具體 規(guī)定。然而對(duì)此使用的術(shù)語并不統(tǒng)一；以前一般稱之為退火， 近十年來，“焊 后熱處理的叫法巳在世界上得到確認(rèn)。焊后熱處理可分為整體焊后熱處理和 局部焊后熱處理。2.1 整體焊后熱處理 整體焊后熱處理分為整體爐內(nèi)焊后熱處理和整體爐外焊后熱處理。2.1.1 整體爐內(nèi)焊后熱處理當(dāng)條件許可時(shí)， 可將整個(gè)容器

5、放入加熱爐內(nèi)進(jìn)行整體熱處理。 一般采說， 整體爐內(nèi)焊后熱處理去應(yīng)力效果比較好，特點(diǎn)是加熱和保溫均勻，溫度控制 準(zhǔn)確，消除應(yīng)力的程度可以通過溫度高低和保溫時(shí)間長(zhǎng)短來調(diào)節(jié)。但值得注 意的是，熱處理是一個(gè)比較復(fù)雜的工序，它不僅消耗大量的能源，而且熱處 理進(jìn)行不當(dāng)； （如時(shí)間過長(zhǎng)，溫度過高等 ），還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)和金屬組織帶來 不利的影響。雖然整體爐內(nèi)焊后熱處理有許多優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用此方法需要大型 加熱爐，消耗熱能較大，費(fèi)用較高。同時(shí)制造大型熱處理爐還有個(gè)利用率 的問題，如果設(shè)備利用率不高；則有些得不償失。而且對(duì)特大型容器，如球 罐、核電設(shè)備的壓力外殼等，也法在爐內(nèi)進(jìn)行，所以還需要進(jìn)行整體爐外焊 盾熱處理2.1

6、.2 整體爐外焊后熱處理當(dāng)不具備大型加熱爐，或容器在現(xiàn)場(chǎng)施工組焊而又需要整體焊后熱處理時(shí)， 這就需要進(jìn)行整體外焊后熱處理。整體爐外焊后熟處理的一種方法是容器內(nèi) 遠(yuǎn)紅外線輻射電加熱法。這種方法是采用高溫遠(yuǎn)紅外線加熱片，在容器內(nèi)部 用支架將加熱片合理布置，利用熱電偶測(cè)溫，溫控儀控溫，在容器外部用保 溫氈包裹保溫的方法進(jìn)行焊后整體熱處理。其特點(diǎn)是靈活性較大，設(shè)備投資 較少；但操作比較麻煩，而且需要比較精確地計(jì)算熱處理所需功率，并根據(jù) 容器結(jié)構(gòu)合理布置加熱和選擇測(cè)溫點(diǎn)，去應(yīng)力效果不如整體爐內(nèi)焊 層熱處理，但在不具備大型加熱爐的條件下仍不失為一種較好的整體焊后熱 處理方法，適用于內(nèi)件較少的容器。目前我廠

7、巳熟練掌握了此種焊后熱處理 方法，并已成功地完成了如半貧液閃蒸槽（此設(shè)備重38.2t,直徑3.4m,長(zhǎng)14m, 且結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ）等十多臺(tái)壓力容器的整體爐外焊后熱處理，效果良好。 整體爐外焊后熱處理的另一種方法是熱風(fēng)法。此法以丙烷、丁烷或天然氣為燃料,產(chǎn) 生780C的熱風(fēng)，用高溫鼓風(fēng)機(jī)送入容器內(nèi)，容器外以絕熱層保溫，熱風(fēng)在 容器內(nèi)循環(huán)加熱容器， 達(dá)到消除應(yīng)力的目的。 這種方法風(fēng)量大， 力口熱均勻， 能精確控制溫度， 適用于內(nèi)件很多的容器。 但熱風(fēng)裝置復(fù)雜， 加熱速度太慢， 加熱時(shí)間長(zhǎng)達(dá)光煥發(fā)數(shù)天 ,輸風(fēng)管道長(zhǎng)，熱量損失大，需要大排風(fēng)量鼓風(fēng)機(jī)， 設(shè)備耗費(fèi)大。此外還有內(nèi)部燃燒法。此法是把容器本身當(dāng)作燃

8、燒室，外部以 絕熱層保溫，這種方法適用于大型球形容器的現(xiàn)場(chǎng)焊后熱處理 . 2.2局部焊后熱處理局部焊后熱處理主要是對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行消除應(yīng)力處理。局部消除應(yīng)力處理 不應(yīng)用局部烘烤的辦法 ,而應(yīng)整個(gè)環(huán)縫進(jìn)行。 它適用于大型壓力容器或結(jié)構(gòu)不 能整體加熱的場(chǎng)合，由于運(yùn)輸上的限制必須在現(xiàn)場(chǎng)合合組裝的場(chǎng)合及現(xiàn)場(chǎng)的 管道焊接等局部焊后熱處理可分為下面幾種。2.2.1 遠(yuǎn)紅外線輻射加熱法 此法與整體爐外焊后熱處理中的遠(yuǎn)紅外線輻射片加熱法相同，只是加熱的方式也可在容器或者說管道的外部；遠(yuǎn)紅外電加熱器的型式也多種多樣， 有框式、片式、履帶式、繩式、指式等。這些加熱器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便 上馬快、節(jié)電效果顯著等優(yōu)點(diǎn)；也

9、帶有測(cè)溫控溫設(shè)施，靈活性比較大，對(duì)于 焊縫返修和現(xiàn)場(chǎng)安裝檢修時(shí)進(jìn)行局部焊后熱處理，具有一定的優(yōu)越性 .2.2.2 電阻絲加熱法 將電阻絲編制成一定形狀的加熱裝置，在要處理的焊縫處，通電加熱。這種裝置可進(jìn)行高達(dá)1000C的熱處理。這種方法不僅可以從容器外部加熱焊 縫,也可將加熱體放在容器內(nèi)部環(huán)焊縫區(qū)，兩側(cè)用兩片保溫層隔離，構(gòu)成一密 閉空間，自成一加熱爐。2.2.3 局部?jī)?nèi)部燃燒法局部?jī)?nèi)部燒燒法是用檔板將容器焊縫兩側(cè)一定范圍內(nèi)隔離,外來語部保溫，構(gòu)成一燃燒室。 下部裝燃燒器加熱， 按容器組裝珠序分成幾段逐次處理。局部焊后熱處理還有工頻感應(yīng)加熱法、燃?xì)饧t外線發(fā)生器輻射加熱法、 低溫火焰法等，總體來說，局部焊后熱處理消除應(yīng)力效果不如整體焊后熱處 理。同時(shí)，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中采用局部熱處理時(shí)，應(yīng)注意產(chǎn)生反作用內(nèi)應(yīng)力的可 能性，這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中要給予重視。3、機(jī)械消除應(yīng)力處理機(jī)械消除應(yīng)力處理主要是采用振動(dòng)方法用振動(dòng)處理調(diào)整降低焊接殘余應(yīng)力（VSR）方法，就是在被處理的構(gòu)件上施加一個(gè)激振力，強(qiáng)迫構(gòu)件產(chǎn)生振 動(dòng)，經(jīng)過一段時(shí)間后，能強(qiáng)化金屬基體，降低殘余應(yīng)力并使，結(jié)構(gòu)尺寸精度 得到穩(wěn)定。目前國外已得到比較廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)在壓力容器上應(yīng)用的例子 還不多見。許多實(shí)驗(yàn)證明，用振動(dòng)方法降低殘余應(yīng)力