主副感应加热局部热处理方法

本发明涉及热处理技术领域，具体涉及一种主副感应加热局部热处理方法。

背景技术：

重型加氢反应器、超限塔器作为石化行业的核心设备，其制造成功在一定意义上体现了国家总体技术水平，是我国“大国重器”的标志。对于这类核心装备，国内外标准均要求采用热处理的方法消除焊接残余应力。当前，随着压力容器向大型化方向发展，受压力容器自身直径和长度的限制，无法对其进行整体热处理，需要采用分段组焊、分段热处理、整体组装的方式进行制造，但在整体组装过程中会产生合拢焊缝，只能进行局部热处理。经大量测试和计算研究发现，采用标准推荐的局部热处理方法会使筒体发生收腰变形，内表面产生新的二次拉伸热应力，导致内表面应力不降反升，导致应力腐蚀开裂；其次，加氢反应器、超限塔器的直径和壁厚越大，其处理能力就越强，装备大型化是提高经济效益的必由之路，是世界石化行业的发展趋势之一。2007年，国外制造的重型加氢反应器已达到外径5894毫米、壁厚347毫米，目前我国最大的加氢反应器外径为6517毫米、壁厚352毫米；对于此类超大直径超壁厚的容器，采用常规的火焰加热、履带式陶瓷片加热等加热方式，难以达到标准规范推荐的局部热处理均温性要求，因此，亟需开发更加先进的加热方式，而感应加热因其高效且能实现精准控温的优势，成为超大直径超壁厚容器的最佳加热方式。

技术实现要素：

本发明针对采用目前标准规范推荐的局部热处理难以消除容器内壁残余应力以及对超大直径超壁厚容器局部加热时难以实现均温性的问题，提出了一种主副感应加热局部热处理方法，将主副加热与感应加热相结合，利用主副加热改善焊缝区域力学性能和微观组织，大幅降低了焊缝残余应力，在热处理对象内表面产生较小的拉应力甚至压应力，并采用感应加热实现对超壁厚容器的加热与精准控温。

本发明具体采用如下技术方案：

一种主副感应加热局部热处理方法，在焊缝处设置主加热区，在距离主加热区一段距离处设置副加热区，具体包括以下步骤：

步骤1，确定主加热区的热处理工艺参数

根据热处理对象的自身特点、服役环境及焊接工艺规范，确定主加热区的热处理工艺参数，包括主加热区的宽度、升降温速率、保温温度和保温时间；

步骤2，确定副加热区的热处理工艺参数

根据热处理对象的自身特点、服役环境及焊接工艺规范，确定副加热区的热处理工艺参数，包括副加热区中心位置距主加热区中心的距离、副加热区宽度、副加热区最高保温温度、升降温速率和保温时间；

步骤3，确定主副加热区的热处理工艺

基于热处理对象的实际情况确定主副加热区的升温时机，确定热处理对象主副加热区的热处理工艺；

对于热处理保温过程中产生径向变形较小的热处理对象，将主加热区和副加热区同时升温至主加热区的保温温度，根据主加热工艺曲线对主加热区进行热处理，待主加热区温度冷却至室温后，拆除设置于主加热区的感应电缆及保温毯，将副加热区升温至最高保温温度，根据副加热工艺曲线对副加热区进行热处理；

步骤4，热电偶的点焊及布置

热处理前将热电偶焊接于热处理对象外表面，与热处理对象外表面紧密接触，热电偶与感应电源相连接，从热电偶中任选一支作为控温热电偶，其余热电偶作为监测热电偶，将热电偶引线沿平行于磁力线方向引出，并用玻璃纤维胶带固定；

步骤5，选择及铺设保温毯

保温毯采用三层结构，顶层和底层均设置为玻璃纤维织物，中间层设置为陶瓷纤维棉或纳米气凝胶耐高温材料；

在热处理对象外表面铺设保温毯，以焊缝中心线为中心左右对称铺设保温毯，热处理对象外表面各处铺设的保温毯厚度一致，需要铺设多层保温毯时，拉紧压接各层保温毯，消除相邻两层保温毯之间的空隙，铺设结束后利用玻璃纤维带捆扎固定保温毯；

对于热处理对象内表面，可以采用与外表面相同方法铺设保温毯；

步骤6，选择及敷设感应电缆

选择空冷耐高温合金电缆或水冷加热电缆作为感应电缆；

根据热处理对象的自身特点、热处理工艺要求，结合预设感应加热宽度，确定感应电缆的匝数及匝间距；

感应电缆以焊缝中心线为中心对称缠绕于热处理对象外表面，感应电缆不均匀排列，靠近焊缝中心处感应电缆排列稀疏，远离焊缝中心处感应电缆排列密集，将感应电缆在缠绕开始位置处和结束位置处固定，余线双股绞合引出，采用玻璃纤维、耐火砖或奥氏体不锈钢将余线架空或从水泥地面走线，并远离钢铁壁面或导磁性结构件；

步骤7，选择感应电源

根据热工计算确定感应电源功率，感应电源具有工作频率快速自动跟踪功能、输出回路漏电检测功能、异常状态声光报警功能、温差保护功能和电流衰减退磁功能；

步骤8，感应加热控温

利用感应加热的磁滞热效应和涡流热效应对热处理对象进行加热，通过热传导实现热处理对象温度的均匀性，将感应电源运行模式设置为恒功率运行模式或工艺运行模式，预设加热曲线、保温曲线和冷却控制曲线；

感应加热升温过程为：根据预设目标温度设定热处理对象的升温速率，感应电源将设定升温速率与热电偶测量的热处理对象温度进行比较，利用感应电源控制系统内部的pid调节控制设备调整感应电源的输出功率，使得感应电源的输出功率满足热处理对象升温速率的要求，按照设定的升温速率对热处理对象进行升温；

感应加热降温过程为：根据预设目标温度设定热处理对象的降温速率，感应电源将设定降温速率与热电偶测量的热处理对象温度进行比较，利用感应电源控制系统内部的pid调节控制设备调整感应电源的输出功率，使得感应电源的输出功率满足热处理对象降温速率的要求，按照设定的降温速率对热处理对象进行降温；

步骤9，实施主副感应加热

根据主副加热区热处理工艺，检测各连接线，将感应电缆与感应电源相连接，开启感应电源，设置感应电源运行模式，将输出功率或温度曲线输入至感应电缆控制系统内，进行主副感应加热局部热处理。

优选地，所述步骤1中，热处理对象的焊缝厚度不超过50mm时，根据gb/t30583《承压设备焊后热处理规程》确定主加热区宽度，热处理对象的焊缝厚度大于50mm时，需通过工艺评定，根据焊缝处的均温性要求确定主加热区宽度。

优选地，所述步骤2中，根据热处理对象的母材厚度、热膨胀系数和修正系数，确定副加热区中心位置距主加热区中心的距离；

根据gb/t30583《承压设备焊后热处理规程》确定副加热区宽度；

根据服役过程中热处理对象对消除残余应力的要求，确定副加热区最高保温温度，若热处理对象对消除残余应力有严格要求，设置副加热区最高保温温度为主加热区保温温度的40～60％，若热处理对象对消除残余应力无严格要求，设置副加热区最高保温温度为200℃～300℃内的任意温度；

根据热处理对象的自身特点及服役环境，确定副加热区的保温时间。

优选地，所述步骤4中，热电偶为k型热电偶，既可用作控温热电偶，也可用作监测热电偶。

优选地，所述步骤5中，当主加热区保温温度为500℃时，设置保温毯厚度不低于50mm，当主加热区保温温度为700℃时，设置保温毯厚度不低于70mm。

优选地，所述步骤6中，可用感应电缆工装代替感应电缆，采用两套感应电缆工装，根据主加热区宽度确定两套感应电缆工装之间的敷设距离，将感应电缆工装设置为开合式，感应电缆工装以焊缝为中心对称敷设于热处理对象外表面，进行主加热区热处理，当完成主加热区热处理后，再根据副加热区中心位置距主加热区中心的距离确定两套感应电缆工装之间的敷设距离，将感应电缆工装以焊缝为中心向外侧移动至主加热区中心与副加热区中心两者间距离的中心位置处，进行副加热区热处理。

优选地，所述步骤6中，若热处理对象为筒体，则可在筒体外壁对应时钟十二点钟位置处均匀设置三根以上的云母条或陶瓷条将感应电缆架高10-20mm，或者将感应电缆在筒体外壁对应时钟十二点钟位置处稀疏排列，在筒体外壁对应时钟六点钟位置处密集排列。

优选地，所述步骤7中，所述工作频率快速自动跟踪功能能够在更换感应加热器、改变感应线圈匝数或负载时快速跟踪谐振频率，无需调整感应电源的谐振频率，保证感应电源的工作频率始终为最佳工作频率；

所述输出回路漏电检测功能通过在感应电源内置输出回路绝缘电阻，设置绝缘电阻的报警值，若绝缘电阻阻值低于报警值，则立即切断感应电源，保护感应电源的安全；

所述异常状态声光报警功能用于对感应电源发生的异常状态进行声光报警并显示报警信息；

所述温差保护功能用于控制热处理对象内外表面的温差，感应加热过程中，当热处理对象内外表面温差超出限定范围时，感应电源将自动降低输出功率，当热处理对象内外表面温差小于限定范围时，感应电源将自动由均温功率切换至升温功率，保证感应加热过程中热处理对象内外表面的温差处于限定范围内；

所述电流衰减退磁功能用于避免在热处理对象上留下剩磁。

优选地，所述感应电源为中频感应加热电源。

本发明具有如下有益效果：

本发明采用主副感应加热局部热处理方法，有效解决了超直径超壁厚重型装备局部加热均温性差、难于精确控温的难题，根据热处理对象的服役环境、材质等定量调控热处理对象的焊缝内壁残余应力水平，同时，结合热处理工艺和装备，解决了超直径超壁厚重型装备的局部热处理难题。

附图说明

图1为常见材料主副加热间距修正系数η取值图；其中，图1(a)为碳钢的主副加热间距修正系数η取值图，图1(b)为不锈钢的主副加热间距修正系数η取值图，图1(c)为铬钼钢的主副加热间距修正系数η取值图。

图2为主副加热工艺曲线。

图3为实施例筒体内外保温毯及感应电缆铺设示意图。

图4为实施例筒体内外壁热电偶布置图；其中，数字1-12代表热电偶编号。

图5为实施例垂直筒体合拢焊缝内壁轴向应力和环向应力曲线图；其中，图5(a)为垂直筒体合拢焊缝内壁轴向应力曲线图，图5(b)为垂直筒体合拢焊缝内壁环向应力曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

以压力容器筒体合拢缝为例，对本发明一种主副感应加热局部热处理方法进行说明，主加热区设置于筒体焊缝处，距离主加热区一段距离处设置有副加热区，具体包括以下步骤：

步骤1，确定主加热区的热处理工艺参数

根据热处理对象的自身特点、服役环境及焊接工艺规范，确定主加热区的热处理工艺参数，包括主加热区的宽度、升降温速率、保温温度和保温时间；

由于目前国内外对于局部热处理主加热区宽度的规定标准不一致，本实施例中根据gb/t30583《承压设备焊后热处理规程》确定主加热区宽度。

步骤2，确定副加热区的热处理工艺参数

根据热处理对象的自身特点、服役环境及焊接工艺规范，确定副加热区的热处理工艺参数，包括副加热区中心位置距主加热区中心的距离、副加热区宽度、副加热区最高保温温度、升降温速率和保温时间；

其中，根据gb/t30583《承压设备焊后热处理规程》确定副加热区的宽度及升降温速率，副加热区宽度满足gb/t30583《承压设备焊后热处理规程》中关于均温带的要求；

根据热处理对象的母材厚度、热膨胀系数和修正系数，计算副加热区中心位置距主加热区中心的距离，如式(1)所示：

主副加热区间距计算公式如下所示：

式中，wdcb表示副加热区中心位置距主加热区中心的距离，单位为mm；whb表示副加热区的宽度，单位为mm；η表示主副加热间距修正系数，该修正系数综合筒体半径及壁厚，具体数值如图1所示；δ表示筒体厚度，单位为mm；α表示筒体的热膨胀系数，单位为mm/℃；

根据服役过程中筒体对消除残余应力的要求，确定副加热区最高保温温度，设置副加热区最高保温温度为主加热区保温温度的40～60％，有效改善筒体的内表面应力；

根据筒体的自身特点及服役环境，设置副加热区保温时间为半小时。

步骤3，确定主副加热区的热处理工艺

基于筒体实际情况确定主副加热区的升温时机，确定筒体主副加热区的热处理工艺；

由于筒体在热处理保温过程中产生的径向变形较小，因此，将主加热区和副加热区同时升温至主加热区的保温温度，根据主加热工艺曲线对主加热区进行热处理，待主加热区温度冷却至室温后，拆除设置于主加热区的感应电缆及保温毯，将副加热区升温至最高保温温度，根据副加热工艺曲线对副加热区进行热处理，主加热工艺曲线和副加热工艺曲线如图2所示。

步骤4，热电偶的点焊及布置

本实施例中热电偶采用k型热电偶，既可用作控温热电偶，也可用作监测热电偶；

热处理前将热电偶焊接于筒体外壁，热电偶与感应电源连接并且紧贴与筒体外壁，从热电偶中任选一支作为控温热电偶，其余热电偶作为监测热电偶，控温热电偶用于向感应电源反馈温度，便于感应电源控制输出功率，控温热电偶位于感应电缆加热区域，将热电偶引线沿平行于磁力线方向引出，并用玻璃纤维胶带固定于筒体外壁上，防治感应加热过程中热电偶引线发生移位；同时，由于热电偶引线沿平行于磁力线的方向引出，减少了热电偶引线在磁场中的感应截面积，避免了热电偶置于磁场中因电磁感应产生额外的电动势导致测温误差，保证了热电偶的测温精度；

并且，热电偶与感应电缆均设置于筒体外壁，利用感应电缆对筒体进行加热处理时，热电偶能够快速测量筒体外壁温度，响应速度快；若热电偶与感应电缆分别设置于筒体的两侧，即将感应电缆设置于筒体内壁而将热电偶设置于筒体外壁，此时由于感应电缆在筒体产生的热量仅能通过热传导方式，透过筒体壁厚传递给设置于筒体外壁的热电偶，导致热电偶测温严重滞后，降低了热电偶的测温精度；

此外还可以将热电偶套入由金属丝编制的屏蔽套内，利用屏蔽套屏蔽感应加热过程中感应电缆产生的电磁场，降低电磁场对热电偶的干扰，从而保证热电偶的测温精度。

步骤5，选择及铺设保温毯

本实施例中保温毯采用三层结构，顶层和底层均为玻璃纤维织物，中间层为陶瓷纤维棉，不单独使用陶瓷纤维棉是因为陶瓷纤维棉易碎且存在大小不一的孔洞，保温层厚度不均匀，热阻不一致，保温效果差；

在热处理对象外表面铺设保温毯，保温毯的厚度决定了感应电缆到筒体外壁的距离，通常情况下，感应电缆离筒体外壁越近，感应电缆对筒体外壁的加热温度越高，加热效果越好，以焊缝中心线为中心左右对称铺设保温毯，保证筒体外壁各处铺设的保温毯厚度一致，铺设多层保温毯，将缠绕于筒体的各层保温毯拉紧，保证相邻两层保温毯支架无空隙，铺设结束后利用玻璃纤维带捆扎固定保温毯，防治保温毯回卷，并且勒紧保温毯时需要注意不要将设置于筒体外壁的热电偶从焊点处扯下；其中，对于大直径筒体或管道，由于重力的作用，保温毯可能在筒体外壁对应时钟6点钟位置处发生垂脱，增加时钟6点钟位置处感应电缆到筒体外壁，加热效果变差，导致温度下降，因此铺设保温毯时需要特别注意；

为了减少热损失，提高热利用效率，热处理保温过程中需要对焊缝及其临近区域进行局部保温，在筒体内壁采用与外壁相同方法铺设保温毯，筒体内壁铺设的保温毯能够降低筒体内腔的对流传热，提高筒体周向温度和径向温度的分布均匀性，同时，筒体两端开口处也采用保温毯进行封闭，从而减少筒体内壁的热损失，使得筒体轴向温度均匀分布。

步骤6，选择及敷设感应电缆

感应电缆可选择空冷耐高温合金电缆或水冷加热电缆作为感应电缆，空冷耐高温合金电缆耐温450℃，而采用水冷加热电缆时保温毯温度不得高于200℃；本实施例中选用空冷耐高温合金电缆作为感应电缆，耐高温合金电缆采用空冷模式，布设方便，操作灵活，耐高温合金电缆自身仅产生极少量的电阻热，其温度升高主要来自于筒体的热传导和热辐射，感应电缆与筒体外壁之间铺设有保温毯，极大地降低了感应电缆的工作温度，避免了对感应电缆的热损伤；

根据主加热区宽度和副加热区宽度，确定感应电缆的匝数，感应电缆匝数需满足均温区要求，再根据筒体壁厚、材质和热处理工艺要求，结合主加热区宽度和副加热区宽度，确定感应电缆的匝间距，使得感应电缆的匝间距满足均温区要求，若感应加热过程中需要调整感应电缆匝间距，可以绝缘非金属拨杆调节匝间距，改善温度分布，通常感应电缆匝间距增加，加热温度降低，匝间距减少，加热温度升高；

感应电缆以焊缝中心线为中心对称缠绕于筒体外壁，筒体焊缝位于筒体外壁对应时钟十二点钟位置处，感应电缆不均匀排列，感应电缆在筒体外壁对应时钟十二点钟位置处(靠近筒体焊缝中心处)稀疏排列，在筒体外壁对应时钟六点钟位置处(远离筒体焊缝中心处)密集排列，将感应电缆在缠绕开始位置处和结束位置处固定，余线双股绞合引出，从水泥地面走线，并远离钢铁壁面或导磁性结构件。

步骤7，选择感应电源

根据热工计算选择合适功率的中频感应加热电源，中频感应加热电源具有工作频率快速自动跟踪功能、输出回路漏电检测功能、异常状态声光报警功能、温差保护功能和电流衰减退磁功能。

步骤8，感应加热控温

利用感应加热的磁滞热效应和涡流热效应对筒体进行加热，通过热传导实现筒体温度的均匀性，将中频感应加热电源运行模式设置为恒功率运行模式，将加热曲线、保温曲线和冷却控制曲线预设至中频感应加热电源的控制系统内；

其中，感应加热升温过程为：根据预设目标温度设定筒体的升温速率，中频感应加热电源将设定升温速率与热电偶测量的筒体温度进行比较，利用中频感应加热电源控制系统内部的pid调节控制设备调整中频感应加热电源的输出功率，使得中频感应加热电源的输出功率满足筒体升温速率的要求，按照设定的升温速率对筒体进行升温；

感应加热降温过程为：根据预设目标温度设定筒体的降温速率，中频感应加热电源将设定降温速率与热电偶测量的筒体温度进行比较，利用中频感应加热电源控制系统内部的pid调节控制设备调整中频感应加热电源的输出功率，使得中频感应加热电源的输出功率满足筒体降温速率的要求，按照设定的降温速率对筒体进行降温。

步骤9，实施主副感应加热

根据主副加热区热处理工艺，检测各连接线，将感应电缆与中频感应加热电源相连接，开启中频感应加热电源，设置中频感应加热电源运行模式，将输出功率或温度曲线输入至中频感应加热电源控制系统内，进行主副感应加热局部热处理。

实施案例

某台加氢精制反应器筒体，筒体内径为5800mm，筒体壁厚为324mm+8mm，筒体壁厚中设置有厚度为324mm的低合金钢母材，材质为21/4cr-1mo-1/4v钢，筒体内表面堆焊有厚度为8mm的不锈钢，利用主副感应加热局部热处理方法处理筒体分段之间的合拢环焊缝。

将筒体内外壁表面点焊热电偶，并铺设保温毯，如图3所示；根据热工计算，采用5台200kw加热电源作为感应电源，每台电源采用3根70m的耐高温感应电缆并排缠绕3圈，共计缠绕45圈，各感应电缆之间间隔为40～50mm。感应电缆缠绕区包括主加热区和副加热区，其中，副加热区中心位置距离焊缝中心1300mm(副加热区位于焊缝两侧)，副加热区加热宽度约为500mm。检测各种连接线，感应电源开机，选用恒功率模式或工艺模式，将输出功率或温度曲线输入到控制面板，接通感应电源开始升温加热。当主加热区完成加热后，工件温度降至室温，将用于给主加热区加热的4台200kw感应电源(每侧焊缝采用2台200kw感应电源)分别接入位于焊缝两侧副加热区的感应电缆，开始加热升温至300℃后，保温30分钟，停止加热自然冷却。

筒体内外壁热电偶设置位置如图4所示，热处理过程中筒体环缝内外壁热电偶的温度随时间的变化，不同方位的点在感应加热过程中的升温趋势一致。在保温阶段，均温区温度分布均匀，最大温差在5℃以内，满足局部热处理的均温带要求。图5所示为垂直筒体合拢焊缝内壁轴向应力和环向应力曲线图，横坐标表示距离，纵坐标分别表示轴向应力和环向应力。由图5(a)和图5(b)可得，采用本发明提出的主副感应加热局部热处理方法，能够有效地降低焊缝附近的轴向应力和环向应力，使其内表面的应力处于较低的水平，能够抑制服役过程中产生应力腐蚀的风险。相比于传统局部热处理方法，本发明能够定量调控内表面应力分布水平，并且，本发明采用感应加热，可以更好地实现均温性、精准控温，热处理效果更优。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。