大型油罐開孔壁板制作及焊后消除應力熱處理技術的開發(fā)和應用

1、大型油罐開孔壁板制作及焊后消除應力熱處理技術的開發(fā)和應用摘  要大型油罐開孔壁板在制作過程中由于焊縫比較集中，焊接變形不宜控制且很難矯形，因此以前主要是從國外引進。中國石化工程建設公司在大連西太平洋石油化工有限公司原油罐區(qū)總承包工程中，組織設計、施工等有關單位，并邀請科研、建設單位聯(lián)合攻關研制。在油罐開孔壁板制作過程中，采取預變形措施、合理的焊接順序、適宜的焊接方法和焊接規(guī)范及加固措施；焊后熱處理時，工件由臥置改為立置。試驗研制獲得成功，開孔壁板幾何尺寸和材料性能符合有關標準的要求。關鍵詞油罐開孔壁板 預變形 焊接順序 焊接規(guī)范 消除應力熱處理 1 前言 

2、0;  近年來，我國建造了許多大型原油罐。由于油罐開孔壁板制作時的變形控制和焊后消除應力熱處理有一定難度，所以都是花費大量的外匯由國外制作，并經(jīng)焊后消除應力熱處理后運回國內安裝。    為了發(fā)揮自己的技術專長、保證工期、節(jié)省費用和提高質量，中國石化工程建設公司將原油罐開孔壁板的制作和焊后消除應力熱處理“國產(chǎn)化”。在大連西太平洋石油化工有限公司新增原油罐(容積為5×104m3和10×104m3各兩具制作安裝的同時，進行試驗研究，取得了成功。這個成果有很大的推廣價值，今后可以不再依賴國外進口，由國內同行自行完成此項工作。大連西太平洋石化公

3、司新增原油罐區(qū)工程由中國石化工程建設公司總承包，洛陽石化設計院設計。需要進行熱處理的油罐開孔壁板共20塊，其中5×104m3罐8塊，10×104m3罐12塊，采用日本進口SPV490Q高強鋼制作。    為了開展研制工作，由中國石化工程建設公司組織科研、設計和施工單位成立了研制小組，編制、評審、修改技術方案，并委托北京燕化公司建筑安裝工程公司實施。    研制小組成立后，調查了北京燕山石化公司機械廠為日本出口配套制作的開孔壁板熱處理情況；調研了日本為上海高橋石化公司10×104m3油罐制作的開孔壁板熱處理

4、報告；進行了焊接工藝試驗。然后，編制了制作、焊接和熱處理研制方案。在此基礎上，中國石化工程建設公司組織召開了專家論證會，對研制組提出的研制方案進行了認真、細致的研討，并確定了方案的可行性。通過對國內外情況的調研了解到，油罐開孔壁板制作及焊后熱處理須解決3個技術關鍵問題：    a.控制焊接變形；    b.消除焊縫的殘余應力；    c.保證壁板在焊后和熱處理后的幾何尺寸，達到技術規(guī)范的要求。 2 控制壁板幾何尺寸和焊接變形    壁板所采用的鋼材為日本標準JISG3115材

5、質SPV490Q-SR，其化學成分見表1；機械性能見表2。             表1 鋼板的化學成分%表2 鋼板的力學性能    由于焊接和熱處理引起的變形在壁板開孔部位很難控制，因此中低壓化工設備施工及驗收規(guī)范HGJ209-83規(guī)定，應在開孔補強板邊緣100mm外位置測量幾何尺寸。鋼制壓力容器GB150-98對容器殼體圓度要求：當被檢斷面位于開孔中心一倍開孔內徑范圍時，該斷面最大內徑與最小內徑之差，應不大于該斷面內徑的1%與開孔內徑的2%之

6、和，且不大于25mm，而GBJ128-90對此未作規(guī)定。    基于研制工作從嚴的原則，此次要求在開孔接管和補強圈范圍之內任意位置進行測量，應滿足GBJ128-90的要求，即用2m長樣板測量，最大間隙不超過4mm，顯然比壓力容器的要求還嚴。    油罐開孔壁板幾何尺寸的控制，主要是控制壁板的曲率。必須控制好卷板、開孔、接管組對的質量，采取有效的矯正焊接變形的預變形措施，并減少組裝和焊接應力，使開孔壁板焊后的各項指標達到或優(yōu)于施工驗收規(guī)范的規(guī)定。    在制作時采用的預變形措施是，組焊時開孔部位的曲率應略大

7、于焊后和熱處理后的允許值，按壁板厚度和開孔尺寸而定，以便在焊后和熱處理后因殘余應力引起的回彈得到補償。    為此，壁板滾弧前兩端壓頭，經(jīng)樣板檢查合格后再滾弧。滾弧時用2m長樣板檢查曲率，其間隙不大于2mm為合格(規(guī)范規(guī)定不大于4mm；用m長直尺檢查壁板平整度，其間隙不大于1mm為合格。滾弧后，將壁板開孔并加工坡口，開孔中心位置偏差不得大于10mm。組對接管時，先用吊車將壁板兩端輕輕吊起，用2m長樣板檢查開孔邊緣的曲率，使樣板中部與壁板間留出適當間隙板厚32.5mm時為3mm，板厚22mm時為6mm(不允許樣板兩端留有間隙。此時，進行接管組對和焊接變形加固板的組對

8、焊接，加固板焊接完畢后，再進行接管、補強圈的焊接。3 開孔壁板的焊接    接管與開孔板壁板的焊接，應考慮保證焊接質量(全焊透工藝和控制焊接變形，包括壁板與接管、壁板與補強圈等。    SPV490Q為低合金高強鋼，其碳當量為0.45，可焊性稍差，有一定的裂紋傾向。因此，在實施控制焊接變形措施時，應考慮防止裂紋產(chǎn)生的措施。    控制焊接變形需在兩個階段進行，壁板與接管焊接過程和熱處理過程。    焊接過程的關鍵在于熱輸入量和焊接順序。減少熱輸入量(例如采用小規(guī)范的氣體保護焊

9、可以減少焊接應力，從而減少壁板變形；合理的焊接順序，可以利用焊接順序調整焊接變形的大小和方向，從而控制焊接的總變形量和方向。    熱處理過程應考慮在消除應力熱處理后，殘余應力對壁板變形的影響。殘余應力的大小，除了與熱處理規(guī)范的實施工藝有關外，還受壁板在爐內放置方式(臥置或豎置的影響，此時應考慮壁板自重和固定架受熱變形對壁板變形的影響。    接管與開孔壁板的焊縫結構如圖1所示。圖 焊縫結構    其中，壁板與補強圈材料為SPV490Q，其余材料為16mnR，20號，Q235等。為了減少焊接時的熱輸入量，采用二氧化

10、碳氣體保護焊，以便減少焊接變形。焊接時選用mG-60(JIS1.2焊絲，這種焊絲的化學成分見表3。          表3 熔敷金屬的化學成分%   mG-60(JIS1.2焊絲的力學性能見表4。表4 熔敷金屬的力學性能    焊接線能量的大小應控制適當，增大線能量對防止裂紋的產(chǎn)生有利，但容易產(chǎn)生變形；減少線能量即減少熱輸入，可減少變形。由于SPV490Q鋼材具有一定淬硬傾向，焊縫容易出現(xiàn)裂紋和焊趾裂紋以及未熔合、未焊透等缺陷。經(jīng)過焊接工藝評定后

11、，得出的工藝參數(shù)見表5。表5 焊接規(guī)范    焊接順序如圖2所示。圖2 焊接順序    焊縫結構的焊接變形來源于焊接應力，它除了與焊接規(guī)范、接頭型式、坡口角度、補強圈結構和焊接順序有關以外，還與焊縫的截面大小和焊縫變形的方向有關。    接管與補強圈的角焊縫是在較大的拘束條件下焊接的封閉焊縫(見圖2，焊接焊縫時，由于焊縫的環(huán)向收縮受到壁板的阻礙，在焊縫中產(chǎn)生很大的拉應力，應力隨坡口截面的增大而增大，對整體結構來講，將造成壁板向焊縫方向拱起。焊接焊縫和時，壁板向反方向塌陷。焊縫和截面積總和為362.5mm2，焊縫的橫

12、截面積為305mm2。如果在焊接時采取同樣的焊接工藝，焊縫和的拉應力就會大于焊縫的拉應力，接管與壁板焊接后使壁板產(chǎn)生塌陷變形。如果加大焊縫的熱輸入，可以使變形達到平衡，但變形量很難控制，一旦熱輸入過量，壁板向接管方向拱起就更難矯形。所以，考慮壁板的塌陷，在焊縫處增加加固板措施來控制變形。加固方法如圖3所示。圖3 開孔加固方法   此種加固方式增加了結構的剛性，減少了焊接變形，也會在焊后產(chǎn)生很大的焊接應力。因此，應進行焊后消除應力熱處理，待消除應力熱處理后再將加固板割掉。4 消除焊縫應力熱處理    油罐壁板與開孔接管連接焊縫是否需要消

13、除應力熱處理，是根據(jù)設計選用的鋼種和板厚的關聯(lián)因素確定的。    按照立式圓筒形鋼制焊接油罐施工及驗收規(guī)范GBJ128-90的規(guī)定，板厚大于12mm，且屈服強度大于390mPa的油罐壁板上的人孔、攪拌機孔和進出油管孔等，在開孔接管、補強圈與相應壁板組裝焊接后，需要進行焊后消除應力熱處理。其效果應該達到：消除組裝、焊接應力，并保持壁板的幾何尺寸達到設計要求。    壁板在爐內的放置方式，常規(guī)的做法是臥置，每次只能放一塊。由于在高溫下，壁板的自重容易引起變形，壁板的幾何尺寸很難保證，這樣熱處理的壁板，尤其在開孔和補強圈部位的尺寸誤差，一般

14、都達不到規(guī)范要求。    為了防止或減少因自重引起的變形，此次研制采用豎置方式，如圖4所示。圖4 壁板在爐內的放置方式   在第一次熱處理前，先將壁板固定支架進行消應處理，然后再將壁板與支架組合固定進行熱處理。固定時，用楔子將壁板打緊，但松緊程度應適當，給壁板的熱脹冷縮留有余地。    在消除焊縫應力熱處理工藝的實施過程中，主要難點是保溫時的溫度控制和降溫速度控制。壁板溫度的波動必須控制在580±10范圍內，這用常規(guī)的燃料油、液化氣加熱爐手動控制溫度的方法是很難實現(xiàn)的。但是，采用電加熱和電腦監(jiān)控壁板溫度技

15、術，就可使保溫控制難度大為簡化。    大型油罐的安裝工作都是由安裝單位在野外作業(yè)，熱處理設備和電力供應都受到極大的限制，如果在工廠內進行熱處理，還要長途運輸，勢必增加大量費用。所以，研制時考慮到施工現(xiàn)場的實際情況和我國的國情，采用較輕便的熱處理爐和盡量利用靠近油罐安裝現(xiàn)場的方法，熱處理采用電加熱方式。熱處理爐爐膛凈空4m×4m，底部設移動式臺車，便于工件裝卸。按每爐裝塊壁板、580±10保溫溫度計算，熱處理功率約需500kW，加熱體用36個220V，14kW的電加熱塊組成，另設4塊備用加熱塊，作為加熱塊有損失時的補充。加熱塊均勻布置在爐子軸向

16、兩側各20個，每側又分上下兩層。為了實測壁板溫度，在壁板上開孔部位布置熱電偶。開孔數(shù)量多的布3個，數(shù)量少的布2個，還應視孔間距大小而定，未開孔部位也適當設置熱電偶，以檢測整塊壁板的受熱均勻性。溫度控制器根據(jù)熱電偶傳來的信息，在記錄儀上打點記錄作曲線，并由電腦存儲。    熱處理加熱速度在300以下不控制，300以上不超過150/h。580±10保溫160min，降溫速度不超過200/h，出爐溫度不高于300。5 實施效果5.1 壁板質量5.1.1 幾何尺寸    消除應力熱處理后，將壁板豎置于平臺上，檢查開孔接管補強圈及各部

17、分幾何尺寸。水平方向用2m長樣板檢查，20張開孔壁板共檢查98處，樣板間隙小于3mm的共62處，占總數(shù)的65；樣板間隙33.8mm的共34處，占總數(shù)的35%。壁板垂直方向用1m直尺檢查，間隙均不大于1mm，幾何尺寸全部符合規(guī)范要求。5.1.2 消除應力熱處理效果    檢查熱處理曲線圖和實際操作，300以上升溫速度均未超過150/h，一般為5060/h。保溫時，工件各部分溫度均未超過580±10。保溫時間160min，降溫速度均不超過200/h，一般為70100/h，出爐溫度為300。5.1.3 殘余應力測定    根據(jù)油罐

18、殘余應力的測試必須在無損條件下進行的特點，以及目前各種殘余應力測試方法的可用性、精度，選擇了較先進的沖擊壓痕法。此方法曾用在上海煉油廠再生器、上海高橋石化公司原油罐、錦西及北京燕山石化公司油罐的殘余應力測試中。測試應變儀為華東電子儀器廠生產(chǎn)的YJ-26型，測量應變花為中原電測儀器廠生產(chǎn)的BE120-3BA型。測試時，在人孔、進出油接管孔和攪拌機孔的接管與壁板焊縫布點檢測。共測108點，殘余應力值(熱處理前/熱處理后最大666mPa/227mPa，最小419mPa/237mPa。    從檢測結果可知，4具原油罐開孔壁板原始焊接殘余應力普遍較高，達到或接近材料的屈服強度。經(jīng)過焊后熱處理，應力消除效果比較明顯，數(shù)值也較為穩(wěn)定，大部分已降低到材料屈服強度的50%以下，應力狀態(tài)得到明顯改善。5.1.4 硬度檢測    熱處理前后，在接管與壁板連接焊縫上檢測，共檢測1296點，按焊縫中心、熱影響區(qū)和母材三點檢測，熱處理前接管與補強圈角焊縫硬度值最高達HB245。熱處理后的硬度值全部小于HB230，最大值HB