本發明涉及一種超限設備空中承載焊縫不加固熱處理施工藝。

背景技術：

隨著石化裝置大型化、模塊化、自動化的快速發展，超限設備空中組對工藝與整體吊裝工藝相比既可以緩解現場平面布置的壓力，又可以降低吊車的參數級別，但是，對于空中焊縫的熱處理由于受加熱溫度、恒溫時間、焊縫上部設備重量、風載等因素的影響，在焊縫處勢必會產生高溫應力引起筒體變形。為了驗證承載焊縫能夠滿足材料力學性能要求，特提出本施工工藝，以現場兩臺丙烯精餾塔實施驗證，安全可靠、經濟適用，并在實踐中得到了很好的推廣應用。

技術實現要素：

本發明提供一種超限設備空中承載焊縫不加固熱處理施工藝，其主要是通過對材料高溫試驗掌握的數據，在承載焊縫焊縫未加固的前提下，落實針對性的安全技術措施，保證了焊縫的熱處理質量，有力的驗證了本工藝的可行性，值得在同行業推廣應用。

為解決現有技術存在的問題，本發明的技術方案是：一種超限設備空中承載焊縫不加固熱處理施工藝，其特征在于：所述的工藝步驟如下：

1)首先，超限設備在基礎上空中組對焊接結束后，在熱處理溫度下對承載焊縫應力進行計算、校核，滿足材料許用應力要求；

2)然后對設備殼體材料試件進行模擬高溫熱處理、力學性能試驗、蠕變金相分析，驗證材料在熱處理溫度下的性能及本工藝的可靠性；

3)承載焊縫校驗合格后，在不加固、不用吊車提升配合的情況下,通過增加保溫寬度減少溫度梯度應力進行空中熱處理；

所述的空中熱處理采用電加熱進行焊縫背面加熱，正面保溫的方式，并在正面布置熱電偶的方式，熱處理過程中確保熱處理范圍內溫差不超過50℃，過程中需嚴格監視熱處理溫度滿足曲線的要求；

4)承載焊縫熱處理過程中對塔體垂直度監測，使塔體的垂直度偏差不超過30mm；

5)承載焊縫熱處理完成后對其進行檢測，如無可見異常變形且無損檢測合格，則施工工藝滿足驗收規范的要求。

與現有技術相比，本發明的優點如下：

1、大幅減少超限分段設備現場地面組裝工程量，提高現場平面使用效率；

2、焊縫熱處理過程中不需要大型履帶吊車輔助提升，可大幅減少超限設備組焊過程中大型履帶吊車的臺班使用費；

3、空中焊縫熱處理前不需要加固，能夠顯著節約勞動力和加固手段用料的投入，降低施工成本；同時減少了焊縫在熱處理過程中受到的約束力；

4、采用本工藝能夠提高設備的安裝質量，大幅降低設備組對的直線度偏差；

5、采用本工藝通過增加焊縫熱處理保溫寬度，可以降低溫度梯度應力；

6、在焊縫處承載應力小于許用應力的前提下，空中組對的多道焊縫可以在焊接全部結束后，進行熱處理；

7、由于設備分段數量大幅減少，減少了高空作業的風險，保證了施工人員的人身安全。

附圖說明

圖1熱處理曲線示意圖；

圖2電器原理示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

實施例：某現場的兩臺丙烯精餾塔均采用空中組對工藝進行安裝，根據兩臺塔四條焊縫分布情況，以最危險t4007下部17.13米處截面環縫所受應力進行分析。

一、首先，超限設備在基礎上空中組對焊接結束后，在熱處理溫度下對承載焊縫應力進行計算、校核；

1、設備熱處理技術參數

主要技術條件詳見下表1

表1

環縫熱處理工藝要求表2

表2

2、塔體穩定性核算

以最危險t4007下部17.13米處截面環縫所受應力進行分析。

塔筒體整體重量為480t，17.13米以上塔體重量為352t，梯子平臺附塔管線18t。根據現有相關文獻，分析截面所受的應力包括塔體自重壓應力、風載產生的彎矩應力、平臺管線產生的偏載壓應力、熱處理時溫度形變應力以及橫風向共振應力。由于熱處理過程中，橫風向共振應力產生的條件是塔頂風速為19m/s，可以擇日避開，溫度梯度模擬困難，故只考慮前三個應力對塔的穩定性校核。

2.1已知：塔筒體重量為m0＝480×103kg，上段塔體m1＝352×103kg，偏心載荷me＝1.8×104kg(包括平臺、梯子、附塔管線、上部支撐在平臺的腳手架重量)；di＝5200mm，δe＝42mm，h＝80.29m；吉林地區基本風壓為590n/㎡

2.2塔體受風載產生的彎應力計算

2.2.1塔的自振周期：(依據nb47041)

其中h＝80.29m，mo＝480×10³kg，e＝197gn/㎡(按照圖紙給定設計溫度為90度以197gn/㎡計算，實際熱處理時為環境溫度200gn/㎡)，δe＝42mm，di＝5200mm，則tc＝1.32s

2.2.2風載計算

1)塔體高度80.29米，從危險截面17米以上按每10米一段進行取定計算見下表3：

表3

塔體各段風載pi計算：

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)危險截面風載荷產生的彎矩

由每一段彎矩當量到危險截面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偏心載荷引起的彎矩

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

2.2.4危險截面最大彎矩

如果風彎矩與偏心載荷的彎矩方向一致，則產生最大彎矩。反之，則產生最小彎矩。

mmax＝1.47×10⁷nm+6.17×10⁵nm＝1.53×10⁷nm

2.2.5筒體焊縫600℃時的應力校核：

1)重力引起的周向壓應力：

σ1＝mg/a

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

2)彎矩引起的軸向壓應力:

σ2＝mmax/z

塔體有效厚度δei＝42mm

抗彎截面系數：z＝π×di²×δei/4＝8.99×10⁸mm³

最大彎矩引起的軸向應力

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

3)塔體危險斷面17.13米的組合最大應力為

σ組合＝σ1+σ2＝21.99mpa

從上述文字分析得知承載焊縫受到的最大應力為21.99mpa。

二、然后對丙烯精餾塔(no.1)殼體材料試件進行模擬高溫熱處理、力學性能試驗、蠕變金相分析，以驗證材料在熱處理溫度下的性能及本工藝的可靠性；

1、q345r在600℃時的許用應力測定

查閱相關標準，q345r在600℃時的許用應力、彈性模量無顯示。公司委托電力工業熱力發電設備及材料質量檢驗測試中心進行高溫力學性能試驗、金相分析、持久試驗，結論如下：

1)q345r在600℃時拉伸許用應力

取三組試件分別進行拉伸試驗，其屈服強度分別為192mpa、190mpa、186mpa，根據其最低強度計算q345r在600℃時的需用應力為【σ】＝186/1.5＝124mpa

2)q345r在600℃時彈性模量

根據試驗數據得出q345r在600℃時彈性模量e＝1.1×10⁶mpa

3)q345r在600℃情況下，分別作用25mpa、35mpa、45mpa拉應力4小時，試件未斷，且彈性模量經測定為1.1×10⁶mpa，說明材料能夠承受2小時高溫熱處理。

4)q345r熱處理前后金相分析

分別對q345r原材料試件、600℃熱處理后的試件、熱處理承載后試件進行金相分析發現，均是鐵素體+珠光體帶狀組織，晶粒度為7-8級，無明顯碳化及組織改變。

2、應力考核

σ組合＝σ1+σ2＝21.99mpa＜[σ]＝124mpa

結構經力學分析是安全的。

本承載焊縫經分析校核，性能滿足要求，熱處理工藝可行。

三、承載焊縫校驗合格后，在不加固、不用吊車提升配合的情況下,通過增加保溫寬度減少溫度梯度應力進行空中熱處理；

在丙烯精餾塔空中的2道焊縫全部焊接完成后進行熱處理。采用電加熱進行焊縫背面加熱，正面保溫的方式，并在正面布置熱電偶的方式，熱處理過程中確保熱處理范圍內溫差不超過50℃，具體局部熱處理工藝要求參見表2，熱處理曲線如圖1所示：

1、供熱

1.1、環縫加熱器規格：殼式800×300×10kw磁吸附式電加熱帶220v電加熱器。

1.2、環縫加熱器數量：丙烯精餾塔no.1、no.2，加熱器數量均為22片。

1.3、環縫加熱器分布：沿焊縫均勻敷設加熱器，加熱器覆蓋焊縫寬度為300mm+500mm。

1.4、環縫加熱器固定：加熱器固定采用磁鐵吸附。

1.5、環縫加熱器連接：加熱器間采用快速插頭連接。

1.6、接管與筒體焊縫供熱參照環縫供熱做適當調整。

2、供電(電氣原理圖參見圖2)

2.1、一次電纜：yc4×95+1×352根；二次電纜：yc4×35+1×164根

2.2、一次電纜由甲方變電所接至現場電源控制柜，二次電纜由現場電源控制柜二次側接至加熱器。

2.3、電氣聯線采用y0接法。

2.4、加熱器與主干線間、主干線與二次電纜間采用快速插頭連接，二次電纜與控制柜二次側、一次電纜與控制柜一次側、一次電纜與甲方電源間采用螺栓連接。

2.5、為防止短路，所有聯線均使用16#鐵線懸掛固定；與塔壁距離小于100mm處聯線應用硅酸鋁保溫棉牢固捆扎。

2.6、引線連接完畢后，加熱器表面不得遺留任何螺絲、鐵線等雜物。

2.7塔體應設置接地線，保證接地可靠。

3、控溫

控溫設備：ht-600熱處理智能溫控裝置，測溫電偶：k型；補償導線；k型；熱電偶分布：每一加熱控制區(回路)不少于1個熱電偶，且沿圓周方向的熱電偶測溫間距離不大于4500mm，數量不少于4個。熱電偶點焊位置距離焊縫中心不大于50mm，熱電偶不能點焊于焊縫之上，只能點焊在焊縫兩側母材之上。

4、保溫

焊縫寬度最大為42mm，均溫帶覆蓋焊縫、熱影響區及其相鄰母材，其寬度至少為焊縫兩側各100mm，并保證覆蓋到環縫鄰近的塔盤支撐圈，為了降低其溫度梯度應力，保溫寬度設計為300mm+500mm階梯型。保溫材料利用扁鋼及鐵線固定。保溫材料采用硅酸鋁保溫棉，保溫厚度為100mm應保持干燥，不得發潮。加熱器之間的空隙處用保溫材料填堵以保證加熱器提供足夠的熱量。

5、丙烯精餾塔熱處理過程控制(參見圖1)

熱處理工裝檢查確認合格，通電對設備焊縫進行加熱，達到400℃后，以小于100℃/h的加熱速度繼續將設備焊縫加熱到600℃，恒溫控制2h(在恒溫期間內確保焊縫溫差不大于50℃)，即可進行降溫，降溫速度應控制在80℃/h，當焊縫溫度降到400℃時可以斷電空冷。

四、承載焊縫熱處理過程中對塔體垂直度監測，使塔體的垂直度偏差不超過30mm。

現場熱處理過程中要求施工人員嚴格監視塔體的垂直度，結果顯示如表4所示：

丙烯精餾塔t4007焊縫b1(el17.230)

表4

五、承載焊縫熱處理完成后對將檢查，外觀無可見異常變形，焊縫x射線檢測合格，本施工工藝滿足驗收規范的要求。

以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。