在化工设备设计中对焊后热处理的考虑

第1期

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材料

在化工设备设计中对焊后热处理的考虑

王非

孙建全

(辽宁省石油化工规划设计院,沈阳110003)

摘要本文将化工设备设计中涉及焊后热处理并与标准和制造有关的一些典型问题进行讨论。

关键词化工设备设计热处理标准

热处理是一种传统的改善金属性能的方法,在

压力容器设计、制造等环节中属于相对薄弱的环节。压力容器涉及四种热处理:焊后热处理(消除应力热处理);改善材料性能热处理;恢复材料性能热处理;焊后消氢处理。本文仅对化工设备设计中应用最广泛的焊后热处理的有关问题予以讨论。

器的需要与可能,简单地类比碳素钢与低合金钢的

情况而对奥氏体不锈钢提出热处理要求,则往往是行不通的。

在现行标准,对奥氏体不锈钢制压力容器是否进行焊后热处理的要求比较含糊。在GB150-89《钢制压力容器》10.4.1.3中规定:“除图样另有规定外,冷成形的奥氏体不锈钢封头可不进行热处理”。至于其它情况是否进行热处理则可能由于不同人的理解而异。在GB150-1998《钢制压力容器》10.4.1中规定:“容器及其受压元件符合下列条件之一者,应进行热处理”。其中10.4.1.2及10.4.1.3为:“有应力腐蚀的容器,如盛装液化石油气,液氨等的容器”和盛装毒性为极度或高度危害介质的容器”。只是在10.4.1.1.f)中规定:“除图样另有规定外,奥氏体不锈钢的焊接接头可不进行热处理”。从标准表述的层次来分析,这一要求应理解为主要针对10.4.1.1中所列举的各种情况而言。上述的第10.4.1.2及10.4.1.3的情况不一定能够包括在内。所以,建议在适当的时候应以“增补”的方式将“10.4.1.1.f)”改为用“10.4.1.4”的方法表达。这样可以更全面、准确地表述对奥氏体不锈钢制压力容器焊后热处理的要求,使设计者都能够根据实际情况自行决定对奥氏体不锈钢制压力容器是否需要热处理和怎样进行热处理。

1奥氏体不锈钢制压力容器是否需要焊后热处理

焊后热处理是利用金属材料在高温下屈服极限的降低,使应力高的地方产生塑性流变,从而达到消除焊接残余应力的目的。同时可以改善焊接接头及热影响区的塑性和韧性,提高抗应力腐蚀的能力。这种消除应力的方法在具有体心立方晶体结构的碳素钢、低合金钢制压力容器中被广泛采用。奥氏体不锈钢的晶体结构是是面心立方,由于面心立方晶体结构的金属材料比体心立方具有更多的滑移面,因而表现出良好的韧性和应变强化性能。另外,在化工设备设计中,选用不锈钢材料往往是为了防腐蚀和满足温度的特殊要求这两个目的,加上不锈钢与碳素钢和低合金钢相比价格昂贵,所以其壁厚都不会很厚。因此,从正常操作的安全性考虑,没有必要对奥氏体不锈钢制压力容器提出焊后热处理的要求。至于因使用而出现的腐蚀,材料不稳定,如:疲劳,冲击载荷等非正常操作条件而带来的恶化情况,在常规设计中是难以考虑的。如果存在这些情况,需要由有关的科技人员(如:设计、使用、科研等有关单位)经过深入研究,对比实验,拿出切实可行的热处理方案并确保压力容器的综合使用性能不受影响。否则,如果没有充分考虑热处理对于奥氏体不锈钢制压力容

2壳程介质为液氨的固定管板式换热器的

焊后热处理

固定管板式换热器由于其结构特点无法进行整体热处理。如果因为壳层介质的毒性或应力腐蚀的特性而需要热处理的方法来解决这一问题。即对换

化工设备与管道2000年第37卷

热器壳体先进行一次部件热处理,待壳体与管板组焊后再对两道环焊缝进行局部热处理。但是,由于这种方法较麻烦,一些设计人员参照制冷行业对于壳程介质为液氨的固定管板式换热器不进行热处理的现象而取消了热处理要求,这种作法是不妥的。尽管目前的压力容器设计、制造单位的管理制度中还没有对跨行业设计、制造问题提出限制性要求,但是当借用其他行业压力容器的技术时,应当全面理解、综合比较。JB6917-93“制冷行业标准”中对这种情况下换热器的设计、制造、检验、验收等有全面的要求,并且有许多内容是不同于GB150《钢制压力容器》、GB151《钢制管壳式换热器》的,如:

(1)管板计算:δ=8+d/t;

δ:管板厚度,mm;

d:管孔直径,mm;t:开孔间距,mm。(2)管板不兼作法兰;(3)最高设计压力:3.00MPa;

(4)管板与筒体间的焊缝采用有垫板的角焊缝结构;

(5)优选Q235-C(而非16MnR)作换热器的壳体;

(6)对介质为液氨的换热器不要求作热处理,但是对制冷剂毒性为高度危害介质的换热器要求进行热处理;

即:从结构方面降低应力,从材料方面降低强度和硬度从而避免液氨造成的应力腐蚀开裂倾向。如果没有完全按照JB6917-93“制冷行业标准”的要求进行设计、制造、检验和验收的话,则有不安全的隐患。所以,对壳程介质为液氨的管壳式换热器及类似情况应当进行热处理。

内筒体一起进行热处理,最后将分瓣的夹套与预焊件焊接并互相组焊。

分瓣组焊压力容器的夹套会增加制造的难度,

这是压力容器盛装较为苛刻的介质代价,是不得已而为之的措施。如果被夹套包覆的接管不在同一平面上,难度就更大。

4化工设备焊后热处理的其它问题

4.107MnCrVR的热处理

在GB150-1998《钢制压力容器》中,原来的CF-62钢板被替换为07MnCrMoVR钢板并且在10.4.1.1.a)中规定“碳素钢、07MnCrMoVR厚度大于32mm(如焊前预热100℃以上时,厚度大于38mm)”时应进行热处理。众所周知,07MnCrMoVR钢板主要是用在大型钢制球型储罐上,在现行的GB12337-98《钢制球型储罐》标准8.8.1.b)中对07MnCrMoVR也有同样规定。

4.2能否用其他方式代替设备的焊后整体热处理

由于受制造厂条件限制,及经济利益的考虑,许多人曾探索用其他方式代替压力容器的焊后整体热处理。在目前有效的标准和规程中,还没有放宽对焊后整体热处理的要求。在各种代替焊后整体热处理的方案中,比较典型的有:局部热处理,锤击法消除焊接残余应力,爆炸法消除焊接残余应力等。

局部热处理:在GB150-1998《钢制压力容器》10.4.5.3中规定:“B、C、D类焊接接头,球形封头与圆筒相连的A类焊接接头以及缺陷焊补部位,允许采用局部热处理方法”。这条规定意味着筒体上的A类焊缝不允许采用局部热处理方法,即:整台设备不允许采用局部热处理方法,原因之一是焊接残余应力不能够对称消除。

锤击法消除焊接残余应力:即通过人工锤击,在焊接接头的表面迭加一层压应力,从而部分抵消残余拉应力的不利作用。这种方法从原理上讲对防止应力腐蚀开裂是会有一定抑制作用的。但是由于在实践操作过程中没有量化指标和规程,加上对比使用的验证不够,而未被现行标准所采用。

爆炸法消除焊接残余应力:将炸药特制成胶带状,在设备的内壁粘在焊接接头表面上,其机理与锤击法消除焊接残余应力相同。据说此法可弥补锤击法消除焊接残余应力的一些不足之处,但是,某单位

3带夹套容器的焊后热处理

带夹套容器由于夹套的隔热层作用,并且在内筒作热处理之后还需要进行水压试验,所以,夹套只能在内筒经无损检测,热处理,水压试验都通过后才施焊。压力容器总是要有各种对外连接的接口,焊在壳体上的连接件或附件应随容器一起进行热处理。当接管必须要穿过筒体夹套包覆的部件时,整体夹套无法穿过接管,只能采用分瓣组焊夹套的方法。即:在内筒焊接夹套的部位先焊上预焊件,预焊件随

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信息

99'全国化工设备设计技术中心站机泵技术委员会

暨工程建设机泵联络网会议在昆明召开

99年度全国化工设备设计技术中心站机泵技术委员会暨工程建设机泵联络网会议于1999年11月22日至27日在昆明召开。中国化工勘测设计协会,化工、石化、医药系统的的23家设计院,沈阳鼓风机厂等21家国内制造厂,Siemens等12家国外知名公司,中国石油抚顺乙烯化工有限责任公司等6家使用单位,西安交通大学等2家高等院校,以及化工出版社等,共80多名领导和工程技术人员出席了会议。

会议对委员会、联络网的发展过程及工作情况作了回顾和总结。

中国化工勘察设计协会梁之洵副秘书长到会并代表协会对中心站机泵委员会和联络网的工作作了充分的肯定。本次年会由沈阳鼓风机厂、杭州汽轮机股份有限公司、上海压缩机有限公司、襄樊工业五二五泵业有限公司等协办,会议主要内容如下:1机泵基础技术工作

(1)组织编制《转动机械检验、试验通用规定》寰球化学工程公司介绍了“转动机械检验、试验通用规定”的编制目的、内容、适用范围。技术委员、核心组成员也初步审查了寰球公司已编制完成的石油、化工用往复泵检验、试验规定,石油、化工用往复压缩机检验、试验通用规定,认为通用规定是对工程技术规定及机泵数据表有关内容的补充和完善,能进一步规范和完善机泵数据表有关内容的补充和完善,能进一步规范和完善机泵专业的工作。

会议对尚未编制的计量泵、转子泵、离心压缩机、汽轮机等检验、试验规定作了初步安排和分工。

(2)组织编制《引进装置工艺离心压缩机及工业汽轮机技术资料汇编》

目前已完成汇编资料的寰球化学工程公司、北京石化工程公司、华泰工程公司、天辰化学工程公司、中国石化兰州设

计院等在会上作了介绍。经过讨论达成共识,决定已完成的资料汇编保存在设备中心站。

(3)组织编制《压缩机选用手册》

经过讨论,认为《压缩机选用手册》的编写应采用以下方式:以设计院为主,制造厂配合,高校理论把关。2压缩机、汽轮机组选用和改造专题研讨会根据沈鼓和杭汽的建议,今年年会我们组织了压缩机、汽轮机组选用和改造专题研讨会。这是继95年本站组织的化肥用离心压缩机、汽轮机组选用研讨会,及96年的化肥用往复压缩机选用研讨会后的又一次专题研讨会。研讨会邀请了中国石油抚顺乙烯化工有限责任公司、山西天脊煤化工集团有限责任公司等六家使用单位参加会议,会上沈阳鼓风机厂、杭州汽轮机股份公司等网内单位介绍制造技术、产品业绩和扩容改造的成功经验,天津鼎名密封有限公司作“压缩机用干气密封、油膜螺旋槽密封技术”报告,国外知名厂商德国的曼内期曼·德马格、西门子GHHBORSIG、及日本的日立公司等也在研讨会上作了专题报告,重点介绍这些公司的技术、装备、产品及在化肥、乙烯装置中的业绩。设计单位。使用单位也介绍了机组改造的具体要求的初步打算。3“泵”专题报告

本次年会,国外知名泵厂作了如下泵专题报告。

(1)瑞士Sulzer公司作“化肥生产中常用API泵介绍”;(2)美国ITT/GOULDS公司作“泵系统的设计与选择”;(3)美国VIKING公司作“新型齿轮泵的设计与选用”;(4)美国MiltonRoy公司作“计量泵的设计与选用”;(5)意大利PERONT公司作“高压柱塞泵的应用”。此外美国IDP、帕期菲达公司、Flowserve公司等也对公司的发展情况作了简介。

在两个条件相同的液化石油汽储罐上分别采用整体热处理和爆炸法消除焊接残余应力进行对比试验,一年后开罐检查发现前者焊接接头完好如初,而经爆炸法消除焊接残余应力储罐的焊接接头则出现许多裂纹。这样,曾流行一时的爆炸法消除焊接残余应力方法也就无意义了。

还有一些其他的消除焊接残余应力的方法,由于种种原因都没有被压力容器行业所接受。

总之,压力容器焊后整体热处理(含炉内分段热

处理)虽然具有能耗大,周期长的不足,且在实际操

作中因压力容器结构等因素面临种种困难,但它仍是目前压力容器行业中唯一被各方面都能接受的消除焊接残余应力的方法。

参考文献

1GB150-89《钢制压力容器》,学苑出版社,1989年2GB150-1998《钢制压力容器》,中国标准出版社,1998年3ASMEBoilerandPressureVesselcodeSectionⅧ-1,19964JB6917-93《制冷行业标准》,机械工业部标准化研究所,1993