一种超限设备空中承载焊缝不加固热处理施工艺的制作方法

本发明涉及一种超限设备空中承载焊缝不加固热处理施工艺。

背景技术：

随着石化装置大型化、模块化、自动化的快速发展，超限设备空中组对工艺与整体吊装工艺相比既可以缓解现场平面布置的压力，又可以降低吊车的参数级别，但是，对于空中焊缝的热处理由于受加热温度、恒温时间、焊缝上部设备重量、风载等因素的影响，在焊缝处势必会产生高温应力引起筒体变形。为了验证承载焊缝能够满足材料力学性能要求，特提出本施工工艺，以现场两台丙烯精馏塔实施验证，安全可靠、经济适用，并在实践中得到了很好的推广应用。

技术实现要素：

本发明提供一种超限设备空中承载焊缝不加固热处理施工艺，其主要是通过对材料高温试验掌握的数据，在承载焊缝焊缝未加固的前提下，落实针对性的安全技术措施，保证了焊缝的热处理质量，有力的验证了本工艺的可行性，值得在同行业推广应用。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种超限设备空中承载焊缝不加固热处理施工艺，其特征在于：所述的工艺步骤如下：

1)首先，超限设备在基础上空中组对焊接结束后，在热处理温度下对承载焊缝应力进行计算、校核，满足材料许用应力要求；

2)然后对设备壳体材料试件进行模拟高温热处理、力学性能试验、蠕变金相分析，验证材料在热处理温度下的性能及本工艺的可靠性；

3)承载焊缝校验合格后，在不加固、不用吊车提升配合的情况下,通过增加保温宽度减少温度梯度应力进行空中热处理；

所述的空中热处理采用电加热进行焊缝背面加热，正面保温的方式，并在正面布置热电偶的方式，热处理过程中确保热处理范围内温差不超过50℃，过程中需严格监视热处理温度满足曲线的要求；

4)承载焊缝热处理过程中对塔体垂直度监测，使塔体的垂直度偏差不超过30mm；

5)承载焊缝热处理完成后对其进行检测，如无可见异常变形且无损检测合格，则施工工艺满足验收规范的要求。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、大幅减少超限分段设备现场地面组装工程量，提高现场平面使用效率；

2、焊缝热处理过程中不需要大型履带吊车辅助提升，可大幅减少超限设备组焊过程中大型履带吊车的台班使用费；

3、空中焊缝热处理前不需要加固，能够显著节约劳动力和加固手段用料的投入，降低施工成本；同时减少了焊缝在热处理过程中受到的约束力；

4、采用本工艺能够提高设备的安装质量，大幅降低设备组对的直线度偏差；

5、采用本工艺通过增加焊缝热处理保温宽度，可以降低温度梯度应力；

6、在焊缝处承载应力小于许用应力的前提下，空中组对的多道焊缝可以在焊接全部结束后，进行热处理；

7、由于设备分段数量大幅减少，减少了高空作业的风险，保证了施工人员的人身安全。

附图说明

图1热处理曲线示意图；

图2电器原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：某现场的两台丙烯精馏塔均采用空中组对工艺进行安装，根据两台塔四条焊缝分布情况，以最危险t4007下部17.13米处截面环缝所受应力进行分析。

一、首先，超限设备在基础上空中组对焊接结束后，在热处理温度下对承载焊缝应力进行计算、校核；

1、设备热处理技术参数

主要技术条件详见下表1

表1

环缝热处理工艺要求表2

表2

2、塔体稳定性核算

以最危险t4007下部17.13米处截面环缝所受应力进行分析。

塔筒体整体重量为480t，17.13米以上塔体重量为352t，梯子平台附塔管线18t。根据现有相关文献，分析截面所受的应力包括塔体自重压应力、风载产生的弯矩应力、平台管线产生的偏载压应力、热处理时温度形变应力以及橫风向共振应力。由于热处理过程中，橫风向共振应力产生的条件是塔顶风速为19m/s，可以择日避开，温度梯度模拟困难，故只考虑前三个应力对塔的稳定性校核。

2.1已知：塔筒体重量为m0＝480×103kg，上段塔体m1＝352×103kg，偏心载荷me＝1.8×104kg(包括平台、梯子、附塔管线、上部支撑在平台的脚手架重量)；di＝5200mm，δe＝42mm，h＝80.29m；吉林地区基本风压为590n/㎡

2.2塔体受风载产生的弯应力计算

2.2.1塔的自振周期：(依据nb47041)

其中h＝80.29m，mo＝480×10³kg，e＝197gn/㎡(按照图纸给定设计温度为90度以197gn/㎡计算，实际热处理时为环境温度200gn/㎡)，δe＝42mm，di＝5200mm，则tc＝1.32s

2.2.2风载计算

1)塔体高度80.29米，从危险截面17米以上按每10米一段进行取定计算见下表3：

表3

塔体各段风载pi计算：

pi＝k1×k2i×q0×fi×li×dei×10^-6

p1＝0.7×1.11×590×1.18×17×5.2＝4.8×10⁴n

p2＝0.7×1.16×590×1.25×3×5.2＝9.3×10³n

p3＝0.7×1.31×590×1.42×10×5.2＝4×10⁴n

p4＝0.7×1.47×590×1.56×10×5.2＝4.93×10⁴n

p5＝0.7×1.65×590×1.67×10×5.2＝5.92×10⁴n

p6＝0.7×1.87×590×1.77×10×5.2＝7.11×10⁴n

p7＝0.7×2.02×590×1.86×10×5.2＝8.07×10⁴n

p8＝0.7×2.16×590×1.95×10×5.2＝9.05×10⁴n

2)危险截面风载荷产生的弯矩

由每一段弯矩当量到危险截面17.13米：

m＝1.5p2+8p3+18p4+28p5+38p6+48p7+58p8＝1.5×9.3×10³n

+8×4×10⁴n+18×4.93×10⁴n+28×5.92×10⁴n+38×7.11×10⁴n+48×8.07×10⁴n+58×9.05×10⁴n＝1.47×10⁷nm

2.2.3偏心载荷引起的弯矩

me＝me×g×e＝18*1000公斤*9.8*3.5米＝6.17×10⁵nm

2.2.4危险截面最大弯矩

如果风弯矩与偏心载荷的弯矩方向一致，则产生最大弯矩。反之，则产生最小弯矩。

mmax＝1.47×10⁷nm+6.17×10⁵nm＝1.53×10⁷nm

2.2.5筒体焊缝600℃时的应力校核：

1)重力引起的周向压应力：

σ1＝mg/a

el17.130处σ1＝mg/a＝352*1000kg*9.8n/kg/0.691m²＝4.99mpa

2)弯矩引起的轴向压应力:

σ2＝mmax/z

塔体有效厚度δei＝42mm

抗弯截面系数：z＝π×di²×δei/4＝8.99×10⁸mm³

最大弯矩引起的轴向应力

σ2＝mmax/z＝1.53×10⁷n·m/8.98×10⁸mm³＝17mpa

3)塔体危险断面17.13米的组合最大应力为

σ组合＝σ1+σ2＝21.99mpa

从上述文字分析得知承载焊缝受到的最大应力为21.99mpa。

二、然后对丙烯精馏塔(no.1)壳体材料试件进行模拟高温热处理、力学性能试验、蠕变金相分析，以验证材料在热处理温度下的性能及本工艺的可靠性；

1、q345r在600℃时的许用应力测定

查阅相关标准，q345r在600℃时的许用应力、弹性模量无显示。公司委托电力工业热力发电设备及材料质量检验测试中心进行高温力学性能试验、金相分析、持久试验，结论如下：

1)q345r在600℃时拉伸许用应力

取三组试件分别进行拉伸试验，其屈服强度分别为192mpa、190mpa、186mpa，根据其最低强度计算q345r在600℃时的需用应力为【σ】＝186/1.5＝124mpa

2)q345r在600℃时弹性模量

根据试验数据得出q345r在600℃时弹性模量e＝1.1×10⁶mpa

3)q345r在600℃情况下，分别作用25mpa、35mpa、45mpa拉应力4小时，试件未断，且弹性模量经测定为1.1×10⁶mpa，说明材料能够承受2小时高温热处理。

4)q345r热处理前后金相分析

分别对q345r原材料试件、600℃热处理后的试件、热处理承载后试件进行金相分析发现，均是铁素体+珠光体带状组织，晶粒度为7-8级，无明显碳化及组织改变。

2、应力考核

σ组合＝σ1+σ2＝21.99mpa＜[σ]＝124mpa

结构经力学分析是安全的。

本承载焊缝经分析校核，性能满足要求，热处理工艺可行。

三、承载焊缝校验合格后，在不加固、不用吊车提升配合的情况下,通过增加保温宽度减少温度梯度应力进行空中热处理；

在丙烯精馏塔空中的2道焊缝全部焊接完成后进行热处理。采用电加热进行焊缝背面加热，正面保温的方式，并在正面布置热电偶的方式，热处理过程中确保热处理范围内温差不超过50℃，具体局部热处理工艺要求参见表2，热处理曲线如图1所示：

1、供热

1.1、环缝加热器规格：壳式800×300×10kw磁吸附式电加热带220v电加热器。

1.2、环缝加热器数量：丙烯精馏塔no.1、no.2，加热器数量均为22片。

1.3、环缝加热器分布：沿焊缝均匀敷设加热器，加热器覆盖焊缝宽度为300mm+500mm。

1.4、环缝加热器固定：加热器固定采用磁铁吸附。

1.5、环缝加热器连接：加热器间采用快速插头连接。

1.6、接管与筒体焊缝供热参照环缝供热做适当调整。

2、供电(电气原理图参见图2)

2.1、一次电缆：yc4×95+1×352根；二次电缆：yc4×35+1×164根

2.2、一次电缆由甲方变电所接至现场电源控制柜，二次电缆由现场电源控制柜二次侧接至加热器。

2.3、电气联线采用y0接法。

2.4、加热器与主干线间、主干线与二次电缆间采用快速插头连接，二次电缆与控制柜二次侧、一次电缆与控制柜一次侧、一次电缆与甲方电源间采用螺栓连接。

2.5、为防止短路，所有联线均使用16#铁线悬挂固定；与塔壁距离小于100mm处联线应用硅酸铝保温棉牢固捆扎。

2.6、引线连接完毕后，加热器表面不得遗留任何螺丝、铁线等杂物。

2.7塔体应设置接地线，保证接地可靠。

3、控温

控温设备：ht-600热处理智能温控装置，测温电偶：k型；补偿导线；k型；热电偶分布：每一加热控制区(回路)不少于1个热电偶，且沿圆周方向的热电偶测温间距离不大于4500mm，数量不少于4个。热电偶点焊位置距离焊缝中心不大于50mm，热电偶不能点焊于焊缝之上，只能点焊在焊缝两侧母材之上。

4、保温

焊缝宽度最大为42mm，均温带覆盖焊缝、热影响区及其相邻母材，其宽度至少为焊缝两侧各100mm，并保证覆盖到环缝邻近的塔盘支撑圈，为了降低其温度梯度应力，保温宽度设计为300mm+500mm阶梯型。保温材料利用扁钢及铁线固定。保温材料采用硅酸铝保温棉，保温厚度为100mm应保持干燥，不得发潮。加热器之间的空隙处用保温材料填堵以保证加热器提供足够的热量。

5、丙烯精馏塔热处理过程控制(参见图1)

热处理工装检查确认合格，通电对设备焊缝进行加热，达到400℃后，以小于100℃/h的加热速度继续将设备焊缝加热到600℃，恒温控制2h(在恒温期间内确保焊缝温差不大于50℃)，即可进行降温，降温速度应控制在80℃/h，当焊缝温度降到400℃时可以断电空冷。

四、承载焊缝热处理过程中对塔体垂直度监测，使塔体的垂直度偏差不超过30mm。

现场热处理过程中要求施工人员严格监视塔体的垂直度，结果显示如表4所示：

丙烯精馏塔t4007焊缝b1(el17.230)

表4

五、承载焊缝热处理完成后对将检查，外观无可见异常变形，焊缝x射线检测合格，本施工工艺满足验收规范的要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。