黃向東

(科恩馬特殊過程裝備(常熟)有限公司，江蘇215536)

大型脫乙烷汽提塔內(nèi)燃法整體熱處理

黃向東

(科恩馬特殊過程裝備(常熟)有限公司，江蘇215536)

2014年山東煙臺萬華項(xiàng)目中關(guān)鍵設(shè)備脫乙烷汽提塔要求制造現(xiàn)場整體熱處理，由于產(chǎn)品直徑大，常規(guī)分段制造周期長，為此我們采用內(nèi)燃法制定熱處理工藝，產(chǎn)品達(dá)到了工藝要求，同時(shí)提出了大型塔器內(nèi)燃法熱處理發(fā)展方向。

大型塔器；內(nèi)燃法；整體熱處理

近年來，隨著大型化工項(xiàng)目在國內(nèi)的建設(shè)數(shù)量不斷擴(kuò)大，大型塔器大多為Ⅲ類壓力容器，在我國應(yīng)用廣泛，大多盛放易燃易爆介質(zhì)，一旦發(fā)生事故，危害性極大，因此，合格材料供應(yīng)商、材料的合格驗(yàn)收、焊接技術(shù)、熱處理技術(shù)、無損檢測技術(shù)、氣壓試驗(yàn)技術(shù)等方面的工作都必須非常嚴(yán)格，來不得半點(diǎn)馬虎。而熱處理作為消除應(yīng)力的關(guān)鍵工序，同時(shí)具有消除焊縫金屬中的原子氫和擴(kuò)散氫，提高抗應(yīng)力腐蝕能力，改善焊縫組織，降低硬度，具有不可逆性。我公司采用一種獨(dú)特的高速液化石油氣燒嘴在容器內(nèi)部燃燒加熱，外部保溫棉保溫，并使加熱條件受到控制的焊后熱處理的方法，順利完成了各項(xiàng)工序和試驗(yàn)，滿足了工藝要求。

1 脫乙烷汽提塔主要參數(shù)

脫乙烷汽提塔為山東齊魯?shù)谝换ぴO(shè)計(jì)院按GB 150—2011《壓力容器》設(shè)計(jì)的。主要參數(shù)為：

制造重量/t：1000

設(shè)計(jì)溫度/℃：120

筒體設(shè)計(jì)材料：Q345R

厚度/mm：84

設(shè)計(jì)壓力/MPa：3.4

介質(zhì)名稱：丙烯和丙烷，特性為易燃易爆氣壓試驗(yàn)壓力/MPa：10

介質(zhì)：第一類介質(zhì)

PV：>10000L

類型：屬于Ⅲ類容器

2 計(jì)算

2.1 內(nèi)燃法熱處理供熱能力計(jì)算

容器21C0203應(yīng)用內(nèi)燃法進(jìn)行熱處理。容器總質(zhì)量為960 t，假定平均比熱為600 J/kg·K，容器由20℃升溫至620℃所需的能量為346.4 GJ，依據(jù)上面的能量要求折算功率要求為962 MW·h，假設(shè)12 h達(dá)到溫度，功率要求為5.344 MW。

2.2 熱量損失

保溫棉熱量損失，保溫期間對流和輻射熱損失估計(jì)為0.6 kW/m2，容器表面積約為1600 m2，故熱損失為0.96 MW。

2.3 煙道損失

假設(shè)排氣溫度為700℃，流速為22 600 Nm3/h(根據(jù)7個(gè)燒嘴，每個(gè)燒嘴助燃空氣量為2260 Nm3/h，計(jì)算能量損失為4.434 MW，所以需要最小功率為：4.434+0.96+5.344=10.738 MW。

2.4 有用功率

每個(gè)燒嘴額定功率為2.3 MW。所以7個(gè)燒嘴總的可用理論功率為16.1 MW。根據(jù)計(jì)算，7個(gè)燒嘴提供的功率能夠充分加熱至想要得到溫度。

3 內(nèi)燃法

內(nèi)燃法的液化氣燃?xì)夤?yīng)圖如圖1所示。

1—2″管道 2—帶截止閥的入口 3—壓力表80psi 4—截止閥 5—一級減壓閥(100～25psi，200 kg/h) 6—蒸發(fā)器 7—1″管道 8—1″管道+截止閥 9—2″管道 10—2″減壓閥(25～3psi，220 kg/h) 11—聯(lián)接兩燒嘴端帶球閥的三通，帶凸輪鎖緊聯(lián)接氣體管道

圖1 液化氣燃?xì)夤?yīng)圖

Figure 1 Supply of liquefied burning gas

3.1 所有的焊接和無損檢測應(yīng)在焊后熱處理前完成，容器表面應(yīng)100%檢查，確保焊接的飛濺物及臨時(shí)裝置等均被去除，并且容器內(nèi)部沒有多余的材料，容器表面沒有飛邊毛刺。

3.2 熱處理由高速液化石油氣燒嘴承擔(dān)，每個(gè)燒嘴的助燃空氣流量接近2260 cm3/h，最大發(fā)熱量為2.3 MW。調(diào)節(jié)比例為50∶1，燒嘴使用液化石油氣，并且只能使用低硫的燃料，在加熱期間，須確保有足夠的氣體供應(yīng)。

3.3 燒嘴能夠以最小的火焰長度進(jìn)行操作，避免火焰直接噴射到工件，這樣，只有燃燒的熱量進(jìn)入到容器中，組合的對流熱和輻射熱轉(zhuǎn)換到容器上，確保溫度達(dá)到要求，并使溫度均勻。

3.4 燒嘴用金屬保護(hù)的軟管連接到鼓風(fēng)機(jī)上，鼓風(fēng)機(jī)的最大輸出為2800 Nm3/h，通過一根150 mm直徑的軟管輸出，輸出壓力為6864.7 Pa。

3.5 燒嘴上安裝一個(gè)成一定角度的不銹鋼接管，目的是避開鄰近的容器內(nèi)壁以及到選擇的開口之間的管壁。這樣就可以排除火焰直接噴射到容器的筒體上的可能性。廢氣將通過節(jié)氣閘平穩(wěn)地排放，必要的情況下，采用靈活的管道系統(tǒng)安全地將廢氣排放到遠(yuǎn)離工作區(qū)域的地方，管道系統(tǒng)須絕熱處理以防止溫度過高。燒嘴及鞍座布置圖如圖2所示。

3.6 容器表面的大于DN250接管部分及容器上部的吊耳靠近筒體表面沿周向分布陶瓷電熱加熱塊，功率為10 kW，電加熱機(jī)器型號為ZWK型智能控制儀，確保較大接管與筒體聯(lián)接的D類焊縫達(dá)到熱處理工藝要求的溫度，事實(shí)證明是可行的。

3.7 在熱處理點(diǎn)火之前，考慮到熱膨脹，支座和容器底部至少要有50 mm的空隙，可以用保溫材料填充，支座上的弧形板同樣也要用50 mm厚的保溫材料進(jìn)行絕熱。

3.8 支座應(yīng)靜止地?cái)[放在光滑和涂上油脂的鋼板上，在支座及鋼板之間放置圓鋼(直徑1/2″或更大)以允許容器產(chǎn)生熱膨脹，所有的支座可以滑行，從而使容器沿縱向能自由膨脹。

圖2 燒嘴及鞍座布置圖

4 溫度控制及熱電偶

4.1 溫度控制

(1)手動控制燒嘴，通過對時(shí)間-溫度記錄儀的連續(xù)監(jiān)視，手動調(diào)節(jié)燃料和空氣流量，確保熱處理參數(shù)符合工藝要求及容器加熱過程中的熱平衡影響。

(2)燒嘴有大比例的調(diào)節(jié)范圍(按次序最大可達(dá)到50∶1)，確保加熱循環(huán)過程中的每個(gè)階段在高溫狀態(tài)能得到控制。

(3)通過手動調(diào)節(jié)排氣閘和進(jìn)入燒嘴的助燃空氣，使容器的每部分都保持正壓力，這樣，與高速氣流燒嘴組合起來，能最大程度地保持溫度均勻，消除溫度高低不一的現(xiàn)象。

(4)熱電偶位置取決于容器在整個(gè)加熱過程中能很好地全面顯示容器的溫度情況，并符合GB 150—2011《壓力容器》和NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》的相關(guān)要求。

4.2 熱電偶

(1)熱電偶應(yīng)是由鎳-鉻/鎳-鋁組成，每一卷導(dǎo)線應(yīng)有合格證書，顯示溫度為400～800℃，誤差不超過±0.5%。

(2)熱電偶采用電容放電的方法直接焊在工件上，兩根熱電偶線之間以及工件連接處的空隙不應(yīng)超過6 mm。

(3)要小心確保熱電偶導(dǎo)線不要相互接觸，金屬元件遠(yuǎn)離熱接點(diǎn)，熱電偶的熱接點(diǎn)要用高溫油灰層來局部進(jìn)行保護(hù)，連接到補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電偶線露出爐子外面的長度最少為50 mm。

圖3 熱電偶布置圖

(4)熱電偶應(yīng)直接安裝在容器上，確保所有的部件適當(dāng)均勻加熱，而不存在有害的溫度梯度。

(5)熱電偶牢固地附在容器上，沿縱向及圓周方向的間隔最大不超過4.6 m。

(6)熱電偶線要均勻地布置在容器的表面，包括頂部、底部、側(cè)面和封頭部分，同時(shí)要布置在壁厚有大變化的部位。

(7)熱電偶要布置在容器的內(nèi)表面和外表面，至少包括接管、容器的最厚及最薄處、容器的頂部和低部。

(8)熱電偶布置如圖3所示。

(9)記錄儀器的熱電偶引伸線可以用銅芯補(bǔ)償導(dǎo)線，銅導(dǎo)線(正極)應(yīng)與熱電偶的鎳-鉻導(dǎo)線(無磁性)連接，固定導(dǎo)線(負(fù)極)應(yīng)與鎳-鋁導(dǎo)線(有磁性)相連接，溫度記錄儀應(yīng)有電位差及自身補(bǔ)償裝置或者等同于校正的攝氏度數(shù)。

(10)溫度記錄儀應(yīng)進(jìn)行檢定，周期不超過12個(gè)月。檢定要有記錄并顯示在儀器上，走紙速度應(yīng)設(shè)置為25 mm/h，在校驗(yàn)時(shí)要進(jìn)行檢測。

5 內(nèi)部燃燒

(1)容器的所有外表面用一層礦棉進(jìn)行隔熱，并用鋼絲加固，背部捆綁鋼絲或50 mm厚、最低密度為96 kg/m3的陶瓷纖維，耐火溫度接近750℃。

(2)絕熱層用軟鋼帶固定在外表面，捆扎帶子的水平間距最大不超過600 mm，絕熱層上的金屬網(wǎng)在外表面，在絕熱層連接處用2 inch鋼帶疊蓋住。

(3)所有人孔、接管和其它附件(大于DN250 mm的接管及容器上部的吊耳要包電加熱塊，局部輔助加熱)用礦棉或陶瓷纖維進(jìn)行局部保溫，最小50 mm厚的保溫材料同樣要用在燒嘴入口或廢氣排放位置的隔板上。

(4)絕熱材料應(yīng)覆蓋到裙座部位至少300 mm的距離，確保裙座能有一個(gè)均勻的溫度梯度。

(5)熱處理前要檢查保溫層之間連接間隙。必要時(shí)，間隙處用散的保溫材料塞緊(如用礦棉或陶瓷纖維填充)，相鄰的保溫材料之間用鋼絲捆扎在一起。在熱處理升溫期間，平均溫度不超100℃時(shí)，要注意觀察保溫層之間的間隙。

(6)所有接管(不包括出入孔)用臨時(shí)的密封板封起來，用合適的保溫材料塞緊，密封面和法蘭面應(yīng)用高溫油脂進(jìn)行保護(hù)，防止氧化。

(7)熱處理之前，保溫層的所有縫隙都要用松散的保溫材料進(jìn)行填塞。

6 工藝要求

(1)應(yīng)該嚴(yán)格觀察加熱速度、保溫時(shí)間、保溫溫度、冷卻速度和溫度的均勻性等相關(guān)的限制條件，以確保與應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范一致。

(2)加熱速度、保溫溫度、保溫時(shí)間、溫度的變化和冷卻速度應(yīng)按照文件規(guī)定：升溫速度≤45℃/h，降溫速度≤60℃/h，保溫溫度600～640℃，時(shí)間276 min，400℃以下不限制，但要保證溫差不要大于139℃。(椎體部分材料厚度為126 mm)。

(3)相同母材的試板應(yīng)進(jìn)行同爐熱處理。

(4)所有的燒嘴和相關(guān)設(shè)備要保養(yǎng)完好，在安裝前要進(jìn)行測試，包括燒嘴的點(diǎn)火試驗(yàn)。

(5)每個(gè)燒嘴都有一個(gè)起保護(hù)作用的火焰安全裝置，紫外線傳感器持續(xù)地將信號傳給火焰安全裝置。

(6)熱處理之前要特別注意，在工作場所內(nèi)確保沒有影響熱處理過程的易燃品出現(xiàn)，并確保防火保護(hù)措施有效。

(7)工作區(qū)域和設(shè)備放置地帶要用警戒線圍住，只有經(jīng)過批準(zhǔn)的人員方可進(jìn)入。

(8)溫度記錄應(yīng)能充分反映熱電偶設(shè)置及溫度的真實(shí)情況。該曲線圖應(yīng)記錄熱處理的要求、走紙速度、日期和時(shí)間。

(9)曲線圖應(yīng)由技術(shù)員簽名。

(10)文件中應(yīng)注明產(chǎn)品編號和產(chǎn)品圖號，如出現(xiàn)問題，所有工作暫停并由授權(quán)檢驗(yàn)師/客戶監(jiān)檢商議下一步行動。

7 操作工藝和過程

7.1 熱處理現(xiàn)場

首先連接好燒嘴系統(tǒng)、LPG液化氣供氣系統(tǒng)、風(fēng)管系統(tǒng)，接通電源，檢查正常后打開風(fēng)機(jī)，打開LPG液化氣，對每套燒嘴逐一點(diǎn)火，先小的液化氣和空氣量，正常后，根據(jù)升溫速度要求加大液化氣和空氣量，達(dá)到較高溫度下溫度的均勻一致和合理的升溫速度。

熱處理過程中嚴(yán)格按工藝文件要求，加熱溫度、保溫時(shí)間、保溫溫度、加熱速度及冷卻速度，加熱及冷卻過程的溫差。熱處理現(xiàn)場如圖4所示。

由于該容器壁厚為84 mm，熱處理正好在8月份，冷卻速度相對較小，故保溫結(jié)束后先關(guān)掉LPG液化氣供氣系統(tǒng)，待殘留LPG氣消耗完并確認(rèn)液化氣管道無殘留氣體后，先在遠(yuǎn)處斷開液化氣快速接頭，然后再斷開燒嘴處快速接頭，防止氣管回火。這樣停止加熱，但風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，以加快冷卻速度。軸耳和接管的保溫情況如圖5所示。容器表面保溫情況如圖6所示。

7.2 熱處理結(jié)果實(shí)際熱處理曲線如圖7所示。

8 結(jié)論

近年來，隨著先進(jìn)控制技術(shù)的推廣，完全可應(yīng)用于大型塔器熱處理全過程。先根據(jù)具體塔器的材料厚度、直徑、重量、長度等，按照熱量計(jì)算加熱功率，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和處理，這樣熱處理過程可根據(jù)事先給定的參數(shù)使燒嘴實(shí)現(xiàn)加熱的PID比例積分的調(diào)節(jié)，達(dá)到了理想加熱的目的。

圖4 熱處理現(xiàn)場

圖5 軸耳及接管AM、BM保溫情況

圖6 容器表面保溫情況

圖7 脫乙烷汽提塔熱處理曲線

由于大型塔器往往要求交貨期短，因此立式內(nèi)燃法，只在下部裙座處的封頭處向上布一20 MW左右的燒嘴，然后在塔器的中間部位向上布一10 MW左右的燒嘴作為補(bǔ)償，達(dá)到理想的熱量流動和交換。此法熱處理效果更加完美，熱處理變形很小，而且節(jié)約了制造時(shí)間。

內(nèi)燃法對該大型脫乙烷汽提塔熱處理，既達(dá)到了良好的熱處理工藝要求，又節(jié)約了大量能源，比傳統(tǒng)爐內(nèi)法節(jié)省一半的能源，同時(shí)大大提高了效率，縮短了工期，為國內(nèi)大型塔器的預(yù)制、現(xiàn)場組焊、整體熱處理提供了成功經(jīng)驗(yàn)。更重要的是刷新了常規(guī)的內(nèi)燃法只用球罐的熱處理，完全可用于大型塔器的制造。

[1] GB150—2011 壓力容器[S].

[2] ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅷ-Ⅰ[S]，2013.

[3] 李友，楊成剛. 球形儲罐焊后熱處理[J].金屬熱處理，2002(03).

編輯 陳秀娟

Integral Heat Treatment of Internal Burning for Large Dethanizing Stripping Tower

Huang Xiangdong

The dethanizing stripping tower, the key equipment of the Wanhua project established in Yantai in 2014, was required for integral heat treatment at the manufacturing site. Since the product has larger diameter and longer regular sectional manufacturing period, integral heat treatment of internal burning method has been adopted, finally the products could accomplish process requirements and furthermore development direction for heat treatment of internal burning for large towers has been put forward.

large tower; internal burning method; integral heat treatment

2017—03—20

TG156

B