林雅嵐 (陜西化建工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 712100)
在生產(chǎn)實(shí)踐中,采用熱處理爐對壓力容器進(jìn)行焊后熱處理時(shí),所選擇的測溫點(diǎn)不盡相同,有的對爐內(nèi)氣體溫度(以下簡稱爐溫),有的對容器或受壓元件殼體溫度(以下簡稱件溫)進(jìn)行測量。
為了比較爐溫與件溫的差別,我們以100萬噸/年煤焦油加氫項(xiàng)目制氫裝置設(shè)備中溫變換爐為例做以分析,其主體材料是14Cr1MoR(正火+回火),殼體尺寸為:φ3200mm×12610mm×56mm。由于鉻鉬耐熱鋼焊接區(qū)存在著較大的殘余應(yīng)力,當(dāng)殘余應(yīng)力與焊縫中的殘存的氫結(jié)合時(shí),將促使熱影響區(qū)的硬化,導(dǎo)致冷裂紋及延遲裂紋的產(chǎn)生。因此,合適的焊后熱處理工藝一方面可以松弛焊接殘余應(yīng)力,改善焊接接頭性能,進(jìn)一步釋放焊縫金屬;另一方面可以預(yù)防冷裂紋的產(chǎn)生[1]。中溫變換爐熱處理工藝見圖1。
我國標(biāo)準(zhǔn)GB150-2011《壓力容器》沒有對焊后熱處理測溫點(diǎn)予以明確規(guī)定,但規(guī)定了焊件升溫至400℃后加熱區(qū)的升溫速度和爐溫高于400℃時(shí)加熱區(qū)降溫速度以及升溫、保溫區(qū)的溫差要求即只對加熱區(qū)的溫度測量提出了要求[2],故可以認(rèn)為在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行焊后熱處理時(shí)只測量爐溫也是符合GB150的。但標(biāo)準(zhǔn)NB/T47015-2011和ASME標(biāo)準(zhǔn)制作的容器,則以焊件上直接測量為準(zhǔn)。
圖1:中溫變換爐熱處理工藝曲線
為了比較熱處理時(shí)爐溫與容器或焊件的溫度不同點(diǎn),我公司在熱處理實(shí)踐中進(jìn)行了探討,以中溫變換爐為例,焊件壁厚56mm,設(shè)備隨爐升溫,保溫溫度為690±14℃,保溫時(shí)間最短2.5h。
我公司采用的是燃?xì)馐綗崽幚頎t,其規(guī)格尺寸為30m×5.5m×6.5m。熱電偶一共26根,側(cè)墻各布置12根熱電偶,共24根,爐頂布置2根。均為測量爐溫?zé)犭娕?,其材質(zhì)為鎳鉻-鎳硅型熱電偶,尺寸φ20mm×650mm。測量設(shè)備表面熱電偶通過爐車底部四個(gè)通孔引入熱電偶,其材質(zhì)為鎳鉻-鎳硅型熱電偶,尺寸φ6mm×6000mm,放置在設(shè)備焊縫及隨爐試板上。其熱電偶布置曲線如圖2所示:
圖2:中溫變換爐件溫測溫點(diǎn)布置
我公司對爐溫、設(shè)備表面溫度均進(jìn)行了測量,爐溫與件溫的各個(gè)測量點(diǎn)溫度都比較均勻,其結(jié)果如圖3所示(紅色虛線代表爐溫,黑色實(shí)線代表件溫):
圖3:中溫變換爐爐溫與件溫的比較
選取部分時(shí)間點(diǎn)與溫度的對比記錄表如表1:
表1:時(shí)間、爐溫、件溫對照表
由熱處理結(jié)果得出如下結(jié)論:
2.1 在升溫階段,同一時(shí)刻,爐溫總是高于件溫,且爐溫先升至保溫溫度并繼續(xù)上升;
2.2 爐溫在開爐后7.9個(gè)小時(shí)達(dá)到690℃,然后8小時(shí)升到695℃,9小時(shí)又降至690℃;而件溫在7.9小時(shí)達(dá)到670℃,然后8小時(shí)升到678℃,9小時(shí)升至690℃,與件溫溫度一致。由此得出結(jié)論:在設(shè)備保溫階段的前期,爐溫從高于保溫溫度逐漸下降至保溫溫度,在保溫階段后期,爐溫與件溫都處于保溫溫度;
2.3 在降溫階段同一時(shí)刻,爐溫總是低于件溫,到接近室溫時(shí),爐溫與件溫趨于一致。
在產(chǎn)品升溫過程中,熱源先對爐內(nèi)空氣進(jìn)行加熱,之后產(chǎn)品從爐內(nèi)空氣中吸收熱量,即通過空氣之間的熱傳導(dǎo)溫度逐漸升高。因此在升溫階段,爐內(nèi)氣體的溫度總是高于件溫的溫度。
當(dāng)爐溫達(dá)到保溫溫度時(shí),件溫仍低于保溫溫度,爐溫只有繼續(xù)升高到超過保溫溫度,焊件繼續(xù)從爐氣中吸收熱量,件溫才能逐漸升高到保溫溫度,此時(shí)熱源已經(jīng)停止或減少提供熱量爐溫從最高溫度下降,到焊件保溫的后期,爐溫,件溫達(dá)到平衡。爐溫、件溫同處于保溫溫度。焊件完成了工藝規(guī)定的保溫時(shí)間后熱源停止供熱或?yàn)榱藵M足工藝要求的降溫速度,僅需少量供熱。
由于熱處理爐通過爐氣向爐外散熱,爐內(nèi)溫度開始下降,當(dāng)爐溫降到低于件溫時(shí),焊件向爐氣散發(fā)熱量,焊件溫度也下降,由于焊件的散熱只能通過爐氣進(jìn)行,在降溫過程中件溫總是高于爐溫。在整個(gè)熱處理過程中總是爐氣的溫度先發(fā)生變化,使?fàn)t氣、焊件產(chǎn)生溫度差,從而引起焊件溫度的變化,所以件溫時(shí)間曲線總是滯后于爐溫時(shí)間曲線。
在熱處理過程中,大部分時(shí)間,爐溫與件溫不一致,因此NB/T47015-2011和ASME規(guī)定焊后熱處理時(shí)需測量容器或受壓元件殼體的溫度是合理的,這可以保證熱處理符合工藝要求,達(dá)到預(yù)期的效果。
對于局部熱處理來說,基本上不采用爐內(nèi)加熱的方式,也不存在測量爐溫的問題,統(tǒng)一為測量容器或受壓元件殼體溫度,保證了局部熱處理與整體熱處理溫度測量的一致性。
大型容器如超長的塔等需要在制造廠分段預(yù)制,現(xiàn)場組焊,組焊環(huán)縫只能局部熱處理。如果在制造廠爐內(nèi)加熱測得是爐溫,而現(xiàn)場只能測件溫,就不能保證一致性。全部測量件溫,能保證熱處理工藝的正確實(shí)施。
Cr-Mo鋼容器保溫溫度達(dá)到690±14℃,針對30mm以上超厚Cr-Mo鋼容器,件溫達(dá)到熱平衡的時(shí)間會很長,當(dāng)爐溫達(dá)到保溫溫度時(shí),件溫并未達(dá)到保溫溫度,仍需延長保溫時(shí)間,使熱量擴(kuò)散達(dá)到平衡,方能使件溫與爐溫都達(dá)到保溫溫度。
通過這一次對中溫變換爐爐溫與件溫的測量比較,進(jìn)一步證明了測量件溫的數(shù)據(jù)更真實(shí)可靠。
我廠燃油式熱處理爐熱電偶直接測量件溫;燃?xì)馐綗崽幚頎t26根固定式熱電偶測量爐溫,設(shè)計(jì)時(shí)在爐底設(shè)置通孔可引入外接式熱電偶測量件溫;臺車式電阻爐與箱式電阻爐也是熱電偶測量件溫的。此次試驗(yàn)為今后熱處理工藝的制訂提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。熱處理實(shí)際操作時(shí)應(yīng)以件溫為準(zhǔn)來執(zhí)行熱處理工藝。
[1]孫景榮.實(shí)用壓力容器焊工讀本[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.135.
[2]GB150-2011.壓力容器[M].中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會,2012.331