ASME 规范制二氧化碳容器焊后热处理工艺改进

2013-07-31林春风

当代化工 2013年3期

林春风，谢亮

（中国石油辽阳石油化纤公司机械厂，辽宁辽阳 111003）

中国石油辽阳石油化纤公司机械厂承揽国外120 台二氧化碳容器制造任务。二氧化碳容器外形尺寸约为ф782×1481(单位mm), 主体材料SA-662 Gr.C （P-No.1 Gr. No. 组1,2,3），厚度20 mm。按照图纸技术要求，此二氧化碳容器制造完毕后需要对其进行焊后热处理（消应力退火）。因设备设计是按ASME 规范中的相关规定进行的设计，故此，热处理工艺也需按照ASME 中的相关规定进行。考虑到辽阳石油化纤公司机械厂热处理设备的实际情况，结合我国对消除应力热处理的相关规定及经验，作者制定了适合本厂的热处理工艺实施手段，热处理后经X 射线应力分析仪（型号：MSF-3M/PSF-3M）对容器主要焊缝进行残余应力测定，满足了热处理工艺的要求，提高了劳动效率。

1 原始工艺及实施

按ASME 2007 SECTION VIII-Division I 中UW-40(C) 中要求规定，当一次装炉对一件以上的受压容器或受压容器零件进行焊后热处理时，热点偶应置于装炉的底部、中部和顶部的容器上或可能有温度变化的其他区域内，已使所得出的温度指示为那些区域中所有容器或零件的真实温度（仅测量炉内气体温度被认为不准确）。也就是说，按ASME的规定，对容器进行焊后热处理时候，测温电偶必须固定于容器上。

同时，在UCS-56（d）中规定:

（1）容器或部件放入炉中时，炉温不应超过800 ℉（425 ℃）。

（2）在800 ℉（425 ℃）以上时，升温速度不应超过400 ℉/h（222 ℃/h）除以壳体或封头最大板厚（以英寸计）的比值，且不超过 400 ℉/h（222℃/h）。升温过程中，容器受热部分在任一15 英尺（4.6 m）长度段内，温度的变化不得大于 250 ℉（139 ℃）。

（3）用属于P-No. 1 , Gr. No. 1,2,3 材料制造的容器或容器部件应当在下列表1 中规定的时间范围内保温。

表1 碳钢和低合金钢焊后热处理要求Table 1 Requirements of post welding heat treatment of carbon steel and low alloy steel

如果温度低于常规保温温度，那么最低保温时间必须要以表2 中给定的保温时间为依据。

表2 碳钢和低合金钢焊后热处理可选要求Table 2 Optional requirements of post welding heat treatment of carbon steel and low alloy steel

升温及保温过程中，应控制炉中气氛，以防止容器表面过分氧化。炉子应设计为避免容器被直接加热的形式在封闭炉内800 °F（425 °C）以上温度进行冷却时，冷却速度不应超过500 ℉/h（278 ℃/h时）除以壳体或封头最大板厚（以英寸计）的比值，且不超过 500 ℉/h（278 ℃/h）。800 °F（425 °C）以下，容器可在静止空气中冷却。

我厂现有最大容量热处理退火炉RJT-450-11(带强制风循环系统)炉内可装工件的最大空间为3 500×2 500×1 500(长×宽×高，单位mm)工艺实施如图1 所示。

图1 热电偶及容器布置简图Fig. 1 Thermocouple layout diagram

因我厂现有热处理炉的尺寸限制，每次最多能装此二氧化碳容器5 台。此台车式炉配备4 件热电偶，炉内上端及周围3 侧各布置一件，炉内顶部配有强制风循环系统，如按ASME 中对热电偶布置的要求实施热处理的话则很难实施且劳动效率低。原因如下：热处理炉配备的热电偶为直形可动法兰式,安置位置为炉内上端及周围3 侧各布置一件，如按ASME 中的要求布置，热电偶需固定在受热容器上，这样操作起来很困难，同时在热处理完一炉在继续热处理第二炉的时候必须得等到炉内温度降到室温人工才能继续操作，浪费了能源,劳动效率低。

热处理曲线如图2 所示。

图2 消除应力热处理曲线Fig. 2 Stress relief heat treatment curve

2 我厂制定的工艺实施方案

去应力退火属于第一类退火，是不以组织转变为目的的退火工艺方法。它的工艺特点是通过控制加热温度和保温时间以改变钢的热力学与动力学条件，使其靠浓度梯度、应力梯度、界面能等自发地由冶金及冷热加工过程中产生的不平衡状态（如成分偏析、加工硬化、内应力等）过渡到平衡状态。在整个工艺过程种，加热与冷却速度的变化对改变这种状态不起主导作用。因此，控制加热温度及保温时间的准确性是去应力退火的关键。

我厂拟采用利用现有设备热处理能力，原始电偶位置不变化的热处理方法对此批二氧化碳容器进行消应力热处理。为了保证工件热处理时加热温度的准确性能，采用空载试验的方法对炉进行热处理炉有效加热区的测定。有效加热区也在国内也叫有效工作区域，热处理炉的有效加热区仅与热处理工艺有关，与炉子型式、结构、热源类型无关。

对热处理炉有效加热区检测装置如图3 所示。

图3 有效加热区检测装置布置示意图Fig. 3 Effective heating zone detection device layout schematic

测温架采用材质为 0Cr18Ni9 规格为ф19x2的不锈钢管焊成，图示1、2、3～10 点分别固定热电偶，而后通过补偿导线和转换开关、检测仪表相连。测温架尺寸为1 800×2 400×1 450(长×宽×高，单位 mm)。对炉有效加热区保温精度按标准要求为±15 ℃、控温精度为±8 ℃、记录仪表指示精度不低于0.5%，测温架的在炉中的位置做好相应的标记。

检测用热电偶规格如表3 所示。

转换开关为WK112－A型低电势转换开关具有3 min 内准确转换全部检查点的功能，并不产生附加热点势。检测仪表选择FLD5008 多路温度记录仪，测量精度优于0.5 级。

测温时，温度定为工艺热处理温度 600～640℃，保温期间测温架的各测温点最高与最低温差不得大于83 ℃.测温时，把测温架推入炉膛内假设的有效加热区的位置，并从炉门侧引出电偶丝。

表3 检测用热电偶规格Table 3 Thermocouple specifications for detection

有效加热区检测热电偶用补偿导线要求如表 4所示。

表4 有效加热区检测热电偶用补偿导线规格Table 4 Thermocouple compensation wire specifications for detection of effective heating zone

经实际测温，测温架内加热空间满足热处理工艺要求，为有效加热区。

经实际测温后得到数据如表5 所示。

同时，在容器制造过程中，要尽量保证二氧化碳容器壳体的组装质量。组装质量的优劣主要体现在椭圆度、角变形及错边量的大小等方面。如果壳体组装的形状不规则，椭圆度超过壳体内径的 5‰，就会使一些接头产生较为复杂的内应力，进而产生裂纹。对二氧化碳容器的焊接上，也从焊接材料——包括焊接材料的选择、严格控制焊条烘干制度、控制焊接线能量、控制预热温度、控制层间温度、控制后热及消氢处理温度、合理安排焊接顺序、控制焊接环境、控制焊接检验及焊工技能考核等方面加以合理控制，最大限度的减小焊接应力的产生。

表5 测量的实际温度Table 5 Measurement of the actual temperature

热处理炉有效加热区确定后，我厂按此有效加热区空间布置二氧化碳容器，先试验3 炉，每炉按图1 所示装5 台容器，热处理后分别对二氧化碳容器筒体与封头间环缝、筒体拼接纵缝、管台与筒体间搭接焊缝进行测试，经测试，残余应力消除68%～77%，满足要求。后经给国外某公司提供相关数据测试，并经AI 确认，同意我厂用此方法对二氧化碳进行消除焊接残余应力热处理。