一种焦炭塔对接焊接工艺的制作方法

本发明涉及焦炭塔的下锥形封头与裙座间的对接焊缝的制造工艺，特别是一种能够提高对接焊缝使用寿命的焦炭塔对接焊接工艺。

背景技术：

焦炭塔，作为延迟焦化工艺的核心设备，其受载相当复杂，除了常规塔器设计时必须考虑的，如内压、风载、雪载及地震载荷外，还承载着高温温度循环。焦炭塔的操作工况非常苛刻，其单个生产周期一般为48小时。单个周期中，焦炭塔需要经历蒸汽预热、油气预热、进油生焦、吹气冷焦、进水冷焦及放水除焦6个阶段。温度则从常温～490℃之间循环，并且其内部介质，包含了油气预热时的气态、进油生焦时的液态、进水冷却时的固态。面对如此恶劣的生产工况，焦炭塔下封头与裙座间的对接焊缝的使用安全一直备受关注。

传统的对接焊缝制造工艺是，直接将20℃的下锥形封头与20℃的裙座在室温下进行组装，然后进行对接缝的焊接，最后进行对接焊缝的焊后热处理。但是，经过这样的制造工艺制作出的对接焊缝，在焦炭塔使用几年后就发现，对接焊缝出现大量裂纹，即使将裂纹补焊后，使用一段时间仍然继续开裂。这一现象已经严重威胁到了焦炭塔的使用安全。随后，为了解决这一问题，设计者们摒弃了对接焊缝，转而采用整体锻件的形式，以提高使用寿命，但是整体锻件造价却很高昂，并且制造工艺也很烦绪复杂，这导致相当一部分焦炭塔制造商，宁愿采用对接焊缝的修补形式，也不太愿意使用整体锻件。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种焦炭塔对接焊接工艺。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种焦炭塔对接焊接工艺，包括以下步骤：

步骤(1)将焦炭塔的下锥形封头加热至75℃以上，并保持温度；

步骤(2)将焦炭塔的下锥形封头放入裙座中，使用连接板将焦炭塔的下锥形封头与裙座固定连接；

步骤(3)采用手工电弧焊对下锥形封头与裙座之间的接焊缝的打底焊；

步骤(4)拆掉连接板，采用埋弧焊，对下锥形封头与裙座之间的接焊缝的填充焊。

步骤(5)将下锥形封头与裙座的整体冷却至室温，不进行焊后热处理。

本发明步骤(1)中所述的首先将陶瓷电加热片安装在焦炭塔的下锥形封头的内侧和外侧，设定陶瓷电加热片的加热温度为75℃～80℃，以确保锥形封头的温度不低于75℃。

本发明步骤(2)中使用u形连接板，连接板一端固定连接下锥形封头，另一端连接裙座。

本发明步骤(2)中使用16块连接板，在下锥形封头与裙座的周向均布进行固定。

本发明将连接板两端与下锥形封头和裙座焊接固定。

本发明步骤(3)中所述的采用手工电弧焊smaw进行对接焊缝的打底焊，打底焊焊3～4圈。

本发明步骤(4)中采用碳弧气刨清掉连接板与下锥形封头和裙座之间的焊接点。

本发明步骤(4)中采用埋弧焊saw，对接焊缝的填充焊。

本发明步骤(5)中拆除所有陶瓷电加热片，将下锥形封头与裙座的整体冷却至室温，不进行焊后热处理。

运用有限元软件abaqus，对基于以上工艺方法制造出的焦炭塔进行应力场数值模拟，并计算出本工艺方法下的对接焊缝使用寿命s1；将s1与传统制造方法下计算出的使用寿命s2进行比较，计算出寿命提高增幅。与传统的对接焊缝制造方法相比，本方法通过采用以上工艺步骤，在对接焊缝中添加了与焦炭塔实际工况相反的预应力，降低了对接焊缝在实际工况中的应力幅值，从而提高其使用寿命。

本发明是一种提高焦炭塔对接焊缝疲劳寿命的新工艺方法。本方法充分利用了封头由75℃冷却至20℃时的周向收缩应力，以及对接焊缝焊完后的残余应力。这两个应力的方向均与焦炭塔在进油升温时的应力方向相反，可以相互抵消，从而能够降低对接焊缝中的应力幅值，进而提高使用寿命。经过本方法制造出的对接焊缝，其使用寿命会比传统的制造方法高出近40％。并且，本方法的生产成本相较于传统的并未有多大提升，因此既经济又实用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是实施例1示意图一。

图2是实施例1示意图二。

图3是实施例1示意图三。

图4是实施例2焦炭塔下半部分的具体尺寸图。

图5a和图5b是实施例2有限元模拟时的网格图。

图6是实施例2的有限元实现示意图。

图7a和图7b是实施例2对接焊缝焊接时的瞬态温度场云图。

图8a和图8b是基于实施例2的对接焊缝进油、进水阶段最大mises云图。

图9是基于实施例2的对接焊缝处mises最大节点92的“时间—应力”曲线。

图10是基于实施例2的节点92的主应力旋转角度θ随时间变化的曲线。

图11a和图11b是焦炭塔的瞬态温度场云图。

图12a和图12b是基于传统方法时的对接焊缝处最大mises云图。

图13是基于传统方法时的对接焊缝处最大mises节点526的“时间—应力”

具体实施方式

实施例1

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本实施例是一种提高焦炭塔对接焊缝疲劳寿命的新工艺方法。

如图1～图3所示一种提高焦炭塔对接焊缝疲劳寿命的新工艺方法包括以下步骤：

1、首先将焦炭塔的下锥形封头的内外侧，用电加热片完全包围住。设定陶瓷电加热片的加热温度为75℃～80℃。

2、给陶瓷电加热片通电，使得下锥形封头温度升高至75℃以上，并时刻关注温控箱的温度显示，以确保锥形封头的温度不能低于75℃。

3、拆掉外侧的上部分少许电加热片，同时维持其他电加热片的状态不变。并将下锥形封头吊起，放入裙座中。用预先制作好的16块连接板，在封头与裙座的周向均布进行固定。

4、采用手工电弧焊smaw，进行对接焊缝的打底焊。打底焊一般焊3～4圈。

5、拆掉连接板。然后，采用埋弧焊saw，进行对接焊缝的填充焊。

6、拆掉所有电加热片，将锥形封头与裙座的整体冷却至室温，不进行焊后热处理。

7、运用有限元软件abaqus，对基于以上工艺方法制造出的焦炭塔进行应力场数值模拟，并计算出本实施例方法下的对接焊缝使用寿命s1。

8、将s1与传统制造方法下的疲劳寿命s2进行比较，计算出寿命提高增幅。

实施例2

以下通过一个实际应用的案例来具体说明本技术方案。

某化工厂在役的一焦炭塔设备，其下半部分的具体尺寸如图4所示，筒体部分高度为3m，内半径为4572mm，壁厚为48mm；锥形封头部分壁厚52.4mm，下法兰口内半径为915mm；裙座与下锥形封头依靠对接焊缝连接在一起，如局部视图ⅰ。该焦炭塔单个周期为48小时，实际操作工况的温度循环为40℃～490℃，内压循环为0～0.35mpa。塔壁与裙座材料均为15crmor，该材料在不同温度下的物理参数如表1所示。焦炭塔在48小时中时刻发生着对流传热，各阶段的对流系数如表2所示。对接焊缝的焊接工艺参数如表3所示。

表115crmor的物理参数

表2焦炭塔各阶段对流系数

表315crmor的埋弧焊焊接工艺

根据以上提供的设备工况，下面将进行基于本实施例方法，计算出对接焊缝的使用寿命s1。然后，基于传统的制造方法，计算出对接焊缝的使用寿命s2。最后，将s1与s2进行对比，得出本实施例方法的寿命提高增幅。

1、计算焦炭塔的温度场

本实施例方法区别于传统方法的关键步骤是(1)～(5)。其中，步骤(1)～(2)的目的是让锥形封头达到75℃。步骤(3)～(5)的目的是，让75℃的封头与20℃的裙座进行对接焊，并保留焊接残余应力，不做热处理。

因此，将上述特征在有限元模型中进行体现，其步骤如下：

1)有限元建模

按照图4尺寸1:1建模，建成模型如图5a与图5b所示。

2)本实施例步骤(1)～(2)的有限元实现

在abaqus有限元软件中，通过施加预定义载荷，就可以实现封头加热到75℃，而裙座维持20℃的情形。施加完毕后的云图，如图6可以看出，封头达到75℃，裙座维持20℃。

3)本实施例方法的步骤(3)～(5)的有限元实现

在abaqus有限元软件中，通过编辑inp文件，采用“生死单元”技术，就可以实现对接焊缝的焊接模拟。

先将采用smaw+saw焊接时的多道焊，以集合的方式进行各焊道定义，如图5所示的12块区域代表着12道焊。

然后从打底焊(编号1)开始，按照阿拉伯数字的自然顺序，将各道焊缝以真实的焊接时间叠上去，就可以得出焦炭塔在单个周期48小时内的任意时刻的温度场。

如图7a和图7b所示，给出了第6道焊的开始时刻与结束时刻的温度云图。

2、计算焦炭塔的应力场

根据上面计算出的焦炭塔温度场，通过将温度场作为体载荷施加进应力场模型中，就可以计算出48小时内焦炭塔任意时刻的应力场。

如图8所示，图8a给出了进油升温阶段，图8b给出了进水冷却阶段，焦炭塔的对接焊缝mises应力值各自达到最大时的云图。

3、基于本实施例方法的对接焊缝寿命s1计算

查询图8a与图8b中mises值最大的节点编号为92，提取该节点的“时间—应力”曲线，如图9所示。

观察图9，可以发现波形非恒幅，故根据asme的要求，须首先根据公式对节点92的应力状态判定，若为比例加载，则可以运用雨流法进行循环计数，否则应采用最大-最小法进行循环计数。

故依据公式对节点92进行旋转角度θ计算。计算结果如图10所示。观察图10可以发现，θ值只是在刚开始加热、刚开始冷却时出现震荡，绝大部分时间保持恒定值-14.7°，故可以认为节点92处于比例加载状态。

然后，运用雨流法将图9波形分解为以下4个封闭循环：

a)a—b—d—e—f循环，mises等效应力范围为69mpa～880mpa～69mpa，故确定其在该时刻温度下的交变应力幅salt1＝405.5mpa；

b)f—g—h—k—a’循环，其等效应力范围为69mpa～890mpa～69mpa，故确定其在该时刻温度下的交变应力幅salt2＝410.5mpa；

c)b—c—d循环，其等效应力范围为429mpa～269mpa～429mpa，故确定其在该时刻温度下的交变应力幅salt3＝80mpa；

d)h—j—k循环，其等效应力范围为442mpa～575mpa～442mpa，故确定其在该时刻温度下的交变应力幅salt4＝66.5mpa。

由于salt1～salt4是各自对应时刻温度下的疲劳幅值，需根据asmeⅷ-ⅱannex3-f中的公式修正至常温，再计算出各自的许用循环次数[n]，整理如表4所示。

表4各循环应力幅值及许用次数

根据miner线性损伤原则，一周期中，循环1～4各发生一次，故可以设它们的使用次数均为n，则累计损伤需要控制：

由此便可以计算出n＜930，焦炭塔每48小时循环一次，故该对接焊缝区域的使用寿命

4、基于传统方法的对接焊缝寿命s2计算

为得出本实施例方法对焊缝使用寿命提高的幅度，须计算出基于传统方法的对接焊缝使用寿命s2。

传统方法的对接焊缝寿命s2的计算，仍需借助于有限元软件abaqus。不同的是，省略了本实施例方法的步骤(1)～(5)。

其计算过程与寿命s1的相似，先进行温度场模拟，而后将温度场顺次耦合于应力场，从而计算出焦炭塔在单个周期48小时内的瞬态应力场，再提取对接焊缝处mises应力最大节点的“时间—应力”波形，并根据asme标准进行疲劳寿命的计算。

下面给出s2计算时的相关图片。图11a与图11b分别给出了焦炭塔在进油阶段与进水阶段在某一时刻的温度场云图。图12a给出了进油升温阶段，对接焊缝处mises最大时的应力云图，该节点编号为526。图12b给出了进水冷却阶段，对接焊缝处mises最大时的应力云图，节点编号也为526。图13给出了节点526在48小时内的mises变化曲线。

与s1的计算同理，运用雨流法将图13波形分解为以下3个封闭循环：

(a)a—b—c—d—e—f循环，其mises等效应力范围为0mpa～952.8mpa，故确定其在该时刻温度下的交变应力幅salt1＝476.4mpa；

(b)b—g—c循环，其范围为308.9～489.6mpa，故其salt2＝90.35mpa；

(c)f—h—k循环，其范围为55.3～846.9mpa，故其salt3＝395.8mpa。

由于salt1～salt3是各自对应时刻温度下的疲劳幅值，需根据asmeⅷ-ⅱannex3-f中的公式修正至常温，再计算出各自的许用循环次数[n]，整理如表5所示。

表5各循环应力幅值及许用次数

根据miner线性损伤累计原则，一周期中，循环1～3各发生一次，故可以设它们的使用次数均为n，则累计损伤需要控制：

由此便可以计算出n＜659.8，焦炭塔每48小时循环一次，故该对接焊缝区域的使用寿命

5、s1相较于s2的增幅计算

s1为基于本实施例方法计算出的对接焊缝使用寿命值。s2为基于传统方法计算出的对接焊缝使用寿命值。

则s1相较于s2的增幅为：

6、结论

经过本实施例方法制造出的对接焊缝相较于传统的制造方法，使用寿命有了38.9％的提升。

本发明提供了一种焦炭塔对接焊接工艺，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。