塔器现场立式组对环焊缝热处理变形控制
2012-02-09王喜庆
王喜庆
(洛阳隆惠石化工程有限公司，河南洛阳 471012)
0 前言
洛阳某5万t/a异丁烷优化装置是以液化气为原料进行深加工的项目，二期扩建新增1台解吸塔T1104和1台脱戊烷塔T1105，设计要求整体热处理。但塔体高度都超过了30 m，为了便于运输，实际分上下两段到货，由于原装置现场场地狭窄，采用高空立式组对安装。
组对环焊缝采用电加热带进行消除应力局部热处理，热处理温度控制在600℃ ±20℃，环焊缝在承受上段塔体重量和风载荷的状态下进行热处理，在热处理温度下Q245R发生高温蠕变，材料中碳会有石墨化倾向(425度)，材料性能不稳定。为保证塔热处理安全，需对焊缝及热影响区采取加固防变形措施，从而减小焊缝及热影响区所受的应力。
1 塔T1104和T1105设计参数
解吸塔 T1104，内径为 Φ1 100 mm，材质为Q245R，高度30 050 mm。分上下两段到货，上段长10 150 mm，质量13.30 t(包括附塔管线、平台梯子)。脱戊烷塔T1105，内径为Φ1 000 mm，材质为Q245R，高度34 000 mm。分上下两段到货，上段长18 100 mm，质量11.08 t(包括附塔平台梯子、管线)。基本参数详见表1。
表1 T1104和T1105塔基本参数
2 环焊缝热处理加固措施
为控制热处理时因塔现场组对焊缝及热影响区高温蠕变而产生的变形，及由此带来的安全风险。在焊道处安装预设6根均布加固“Π”字形支撑(δ=12 mm Q245R钢板拼焊)，如图1。支撑钢板高度:W=350 mm，支撑板厚度:δ=12 mm，支撑支腿沿焊缝环向布置，焊角高度不小于12 mm。
图1 环焊缝热处理加固措施示意图
3 “Π”字形支撑安全验算
以最重的T1104上段为例，分别进行“Π”字形支撑结构强度和稳定性校核，支撑连接角焊缝强度验算。在计算时考虑现场组对焊道以上部分塔重心偏移及水平风载荷，并假设上段塔重量和风力的作用完全由“Π”字形支撑承担。
3.1 “Π”字形支撑结构强度和稳定性校核
3.1.1 计算载荷确定T1104上段垂直载荷取设备最大操作重力:W1=G=13.3 × 9.8=130.34 kN
水平载荷取风载荷P=1.2 fqDH×10-6
式中:f，风压变化系数，设备质心高度≥20 m取f=1.25;q，10 m高处基本风压;风速，取q=450 Pa;D，容器外径，取D=1 132 mm;H，容器壳体总长，取H=30 050 mm。经计算得:P=1.2 fqDH×10-6=22.97 kN，假设6个支撑件均匀受力，则每个支撑的水平反力R1=P/6=22.97 kN/6=3 827 N。
支撑件单个受力按设备重心和几何中心线重合的极限状态计算:
弯距拉伸侧单根支撑垂直反力
式中:N支撑件个数，N=6;HS为支撑面到设备质心高度HS=5 m;D1支撑的中心圆直径。
其中:δ1=16mm，为塔壁厚度，DN为塔公称1 100直径，W=350 mm为支撑板宽度。弯距压缩侧单根支撑垂直反力
3.1.2 支撑所受剪切应力验算
支撑材料Q245R(20～100 C°，厚度3～16 mm)的:屈服强度:R=245 MPa，许用应力:［σ］=148 MPa。
支撑所受剪切应力τ:
其中:每个支撑截面积:A=12×325=3 900 mm2;单根支撑的许用剪切应力［τ］=0.6［σ］;τ≤［τ］=0.6 ×［σ］=0.6 ×148 MPa=88.8 MPa，满足安全使用要求。
3.1.3 支撑弯曲计算
设备外壁离支撑形心距离e=W/2=350/2=175 mm;支撑与设备连接焊缝长度h=(1 500-350)/2=575 mm;自由段最下端离支撑与设备连接焊缝中心距离长度:L=H2+h/2+50=350+575/2+50=687.5mm;单根支撑的最小抗弯截面模量:Wmin=bh2/6=10 ×3502/6=204 166 mm2。
支撑的弯曲应力
支撑的弯曲应力σb=77.5 MPa≤支撑的许用弯曲应力［σb］=148 MPa(20～100C°，厚度3～16 mm)，满足安全使用要求。
3.1.4 支撑的稳定计算
单根周向水平截面惯性
单根径向水平截面惯性
单根支撑的截面积:A=3 900 mm2
单根支撑的拉伸弹性模量:E=2.01×105MPa单根支撑材料的屈服强度:R=245 MPa，Imin取Ix、Iy最小值;
单根支撑截面最小回转半径:
设备有效细长比(柔度):
式中H2为单根支撑自由段长度，单根极限细长比(极限柔度):
由于λ＜λ1支撑在临界状态下许用应力:
则［σcr］=1.2［1-0.4(68.1/134.8)2］×245/1.84×1=143.5 MPa
单根支撑所受压应力:
［σcr］≥σc设备热处理时支撑稳定，满足使用要求。
3.1.5 支撑钢结构的综合评价
支撑钢结构的综合评价要求|σc/［σcr］|+| σb/［σb］| ≤1
| σc/［σcr］|+| σb/［σb］|= |19.33/145.5|+|77.5/148|=0.67≤1满足要求。
3.2 支撑连接焊缝强度计算
3.2.1 支撑连接焊缝的弯曲应力验算
支撑材料Q245R(20～100 C°，厚度3～16 mm)的许用应力:
［σ］=148 MPa，取焊缝系数:Φ =0.49
支撑材料的抗弯、抗剪许用应力:
取1.5［σ］，
Φ=1.5×148×0.49=108.78 MPa
每条装配焊缝计算长度:
hf1=hf-10=575-10=565 mm，焊缝焊角高度tf1=12 mm
焊缝的抗弯截面模量:
支撑焊缝的弯曲应力:
支撑连接焊缝的弯曲应力验算:
σf≤108.78 MPa，符合安全要求。
3.2.2 支撑焊缝的剪切应力和当量应力验算
支撑焊缝横截面积:
支撑焊缝的剪切应力:
支撑连接焊缝的剪切应力验算:
τ1≤108.78 MPa符合安全要求。
支撑焊缝的当量应力:
支撑连接焊缝当量应力验算:σZ≤108.78 MPa符合安全要求。
4 结论
经计算采用上述Π字形支撑热处理加固法理论上可靠，两台塔采用了上述热处理加固方法，热影响区范围内塔壁板没有产生变形，热处理前后所测的筒体圆周度，垂直度等数据一致。对大型塔器现场立式组焊环缝处采取加固措施是工程上确保设备安全的热处理方法。
