基于小直径管道焊口集中热处理的方法

马俊恒 毕家伟 闫俊峰 崔绍军 马 峥

1.中化二建集团有限公司 山西太原 030021；2.宁波工程学院 浙江宁波 315211

石油化工装置的管道种类多，管道内的介质多为易燃、易爆、有毒介质。管道的焊接质量直接影响到工程的安全运行和使用寿命[1]。一些金属管道因为材质的特性要求进行焊后热处理。焊缝焊后热处理可消除焊接残余应力，改善焊缝金相组织和延长使用寿命，是保证管道安装内在质量的关键工序之一，直接影响工程投产后的长周期安全平稳运行[2]。

以恒逸（文莱）PMB 石油化工工程项目100 万t/ a 灵活焦化装置为例，其工艺管道约87113m，需要热处理的焊口总数约13000 个，其中直径小于DN50 的需要热处理的焊口约8500 个。传统的热处方法是逐道焊口进行热处理，工作量大、用时长，资源配置、人员组织、质量预控及施工工期都会受到很大影响。同时，管道焊口逐道包裹热处理技术在室外施工，效率低，且点多面广，受操作人员、天气环境等因素影响，热处理温度的控制不稳定，质量不易保证，一次合格率较低。为此，中化二建集团有限公司项目部技术人员采用加大小直径管道预制深度，然后采用集中热处理的方法解决了这一难题。

1 传统热处理方法

传统的管道焊缝热处理加热和保温方法为：将电加热带覆盖在焊缝位置，用铁丝将电加热带捆绑固定在管道上；将保温材料覆盖在电加热带上，再用铁丝将保温材料捆绑固定在管道上；接通电源和温控设备开始管道焊缝热处理[3]。传统的管道逐一热处理保温方法工作效率低，工程成本高，保温材料重复使用率低，不符合绿色施工、健康环保要求。另一方面，传统的管道热处理方法无法满足施工高峰期预制焊口热处理效率，影响管道安装进度。

2 小直径管道焊口集中热处理方法设想

针对管道焊口逐道包裹热处理技术存在的缺点，项目部工程技术人员经过研讨，提出针对成批量的小直径管道进行集中热处理的可能性，进而提出研发小直径管道集中热处理施工技术，并成立了集中热处理施工技术研发小组，明确各小组成员的研发分工。通过对集中热处理方法的论证和分析，要实现小直径管道焊口集中热处理，首先需要加大小直径管道预制深度；其次，需要提供焊口集中热处理的小型热处理箱，将预制完成的小直径管段放置到小型热处理箱，从而实现对小直径预制管道焊口集中热处理。该技术能够对小直径预制管道焊口进行集中热处理，与传统方式中逐个焊口热处理相比，可以一次性完成多道小直径焊口热处理的全部工作，有效节约人工成本、周转材料和用电量等。而且能够节约大量工时，操作方便，大大提高了焊口热处理质量和效率。同时，根据需要，该热处理简单实用，易于拆卸组装，制作使用的材料取自施工现场，整体可复制，可推广使用。

3 小型热处理箱结构设计

小型热处理箱结构分为箱体结构外壳、陶瓷加热器、保温层、热电偶及温控系统。箱体结构外壳利用施工现场的角钢、薄铁皮等材料制作，主要有采用30mm 角钢制作的箱炉体骨架，保温层采用最高耐温1200℃的硅酸铝纤维毯，加热采用履带式陶瓷加热器、热电偶等。箱体尺寸1500mm×1000mm×700mm，箱炉膛尺寸1200mm×700mm×500mm，如图1 所示。箱体的结构形式简单，制作使用的材料取自施工现场，整体可复制、可推广使用。

图1 箱体结构外壳图（单位：mm）

箱体外壳侧墙中下部对称开2 个直径30cm 的圆形孔，两面端墙中上部各开1 个直径20cm 的圆形孔，用于调节炉温均衡。严格把控温度，记录热处理操作，保证热处理时间、温度与热处理指导书规定的一致。

加热器安装，采用履带式陶瓷加热器，规格为600mm×400mm，功率为10kW/ 块，分别在两侧炉墙和炉底各布置两块，总计6 块，设计总功率60kW，最高加热温度800℃。

为了便于放置构件，在箱体底部的加热带上，用高度20mm 工字钢做两处支撑，上面铺设钢格板，用于将热处理的管件悬空放置，如图2 所示。

图2 热处理箱加热炉制作

温控系统采用便携式智能温控仪，分别在炉内上、中、下位置布置6 个测温点，用于测定炉膛恒温区的温度。通过加热炉上的热电偶反馈信号自动控制加热温度及升降温速率，实时记录加热炉内温度变化，形成记录曲线图。

4 小直径管道焊口集中热处理方法施工程序

（1）制定管道集中热处理方案，针对不同管道明确相应的热处理参数，并制定不同的材质所采用的热处理参数，在预制区挂牌；对相关焊接和分类人员进行技术交底，不同的材质划分不同的热处理堆放区。

（2）将需要热处理的小直径管道按照分装置、分区域、分管线的原则进行集中预制，预制完成后，进行编号挂牌（钢印），就地放于待热处理区。

（3）在待热处理区域组装热处理箱，按照铺设硅酸铝纤维毯→铺设陶瓷加热器→支撑工字钢、钢格栅板、热电偶、加热器及热电偶外接电线→连接变频式智能温控仪的顺序进行。

（4）热处理箱内的硅酸铝纤维毯、陶瓷加热器、支撑工字钢、钢格栅板逐层布置好后，将需要焊后热处理的构件全部放在炉腔内的钢格栅板，摆放整齐；统一使用高温油漆在镀锌铁皮上标识管道焊口信息，并用铁丝绑在管件上。要求热处理的焊接件距离炉墙100mm，并保持炉内空气流通温度恒定。

（5）需要热处理的构件摆放好后，将附有硅酸铝纤维毯的热处理箱盖覆盖于热处理箱上，并确认箱体的密封性；再将热电偶和加热器的线缆与智能变频温控仪连接。

（6）按照热处理工艺参数卡，设定热处理需要参数；安排专人进行监管，过程中记录每炉的管段清单，保证操作完成后梳理管段和完成热处理验收；热处理完成后，开盖，准备出炉；热处理完成后进行硬度检测，硬度值符合规范要求为合格。

（7）热处理箱在升温前要将用于调节温度均衡的进、出风口采用硅酸铝纤维毯封闭。当升温、保温和时长均达到热处理工艺参数时，进入降温阶段。降温过程中，将进风口、出风口的保温毡毯按照先出风后进风的顺序，逐步少量的取下，同时根据观察时间段内温度变化，调整进、出风口保温毡毯的取出量和取出顺序，达到与热处理降温参数一致。

（8）该方法热处理效率高，直径50mm 预制管段可一次处理60 道焊口，炉内温度均匀，温差控制在10℃范围内，小于规范要求的50℃偏差。硬度检测符合要求，记录热处理过程的曲线图记录的信息符合要求，有效地保证了施工质量。

5 结论

随着科学技术进步，产业工人技能的提高，石油化工、煤化工、电力行业中的管道安装工程工厂化预制的能力越来越高。管道的预制比例，代表一个施工企业的综合管理能力和产业工人劳动技能水平。小直径管道焊口集中热处理施工技术，提高了工作效率和施工质量。热处理箱制作工艺简单，操作方便，重量轻，可拆卸，整体可复制，可广泛应用于施工现场和工厂，具有广阔的应用前景。本技术的成功运用，推进了科技创新和技术进步，在小直径管道集中热处理施工方面积累了经验，得到业主高度肯定，经济效益和社会效益显著。