林雅嵐 張耀祖

陜西化建工程有限責任公司 陜西楊凌 712100

焊后熱處理是消除焊接殘余應力的重要手段，熱處理效果的好壞直接影響著壓力容器運行的安全性和可靠性。受到公路運輸條件的限制，設備一般采用廠內分段制造，現(xiàn)場合攏的方式制作。隨著煉油、化工裝置的大型化，越來越多的超限厚壁承壓設備需要在現(xiàn)場進行局部焊后熱處理。

為了保證局部熱處理的效果，GB/ T30583-2014《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》中對局部熱處理的方法做了相應規(guī)定。對于筒體局部焊后熱處理加熱帶和隔熱帶的推薦寬度，《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》附錄B 給出了δPWHT≤50mm 的數(shù)據(jù)。但是針對δPWHT＞50mm 的情況，僅指出需做局部熱處理驗證性實驗，未明確實驗方法。厚壁設備局部熱處理需雙面布置加熱片，無法測量中心區(qū)域溫度，只能按照鋼板表層熱電偶顯示的溫度控制熱處理保溫時長，可能導致熱處理保溫時長不足，焊接應力消除不徹底。試板與產品在結構與體積、措施等方面差異很大，難以代表設備熱處理時的實際情況，真實的熱處理效果難以衡量。為此，設計了一種局部熱處理驗證性實驗方法，并采用有限元進行數(shù)值模擬和焊接試件模擬實驗比對來驗證該實驗方法的可行性。該方法指導了陜西化建工程有限責任公司承接的某煤基乙醇項目設備原料氣干燥器（設備規(guī)格：Φ5500×94×13880mm 材質：Q345R）的局部熱處理工藝。

1 擬定實驗用熱處理工藝

1.1 擬定熱處理溫度曲線

根據(jù)GB/ T30583- 2014《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》規(guī)定，Q345R 屬于Fe- 1 類材料，以此擬定熱處理工藝曲線。

1.2 擬定加熱帶及隔熱帶寬度

采用雙U 形坡口焊接，焊縫寬度（hk）約為40mm。根據(jù)GB/ T30583- 2014《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》規(guī)定，取均溫帶寬度（SB）：焊縫寬度+2×50mm 和焊縫寬度+2×熱處理厚度之較小值，對于熱處理厚度為94mm 的等厚焊縫均溫帶寬度約為136mm。加熱帶寬度HB=7nhk（1＜n ＜3）不低于252mm，可選用300mm 寬電加熱帶。隔熱帶寬度GCB：加熱帶寬度+2×(200mm- 300mm)，因此隔熱帶需取700～1000mm，實驗時取800mm。詳見圖1。

圖1 局部熱處理范圍要求

2 實驗方法

驗證性實驗目的是提供一種設備δPWHT＞50mm 的焊縫局部熱處理驗證性實驗方法，主要解決兩個問題：第一，厚壁容器需要雙面布置電加熱帶，熱處理過程中測溫僅能測得被加熱部件表面的溫度，而無法獲得部件中心的溫度。第二，在考慮溫度偏差的情況下，驗證擬定的熱處理工藝保溫時間是否合理，能否達到GB/ T30583-2014《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》中第4.3.3.4 條明確規(guī)定“均溫帶所示體積范圍內任意一點溫度都應符合焊后熱處理的規(guī)定”的要求。

2.1 試件材質

選擇材料與原料氣干燥罐材質Q345R（正火）相同，厚度相等；對接焊縫采用埋弧焊焊接，用F5P2- H10Mn2焊材作為填充材料，模擬時把筒體和焊接材料視為相同材料，材料性能采用隨溫度變化的參數(shù)。

2.2 試件結構

由于局部熱處理為簡單的板對接環(huán)向焊接接頭，模擬試件的結構也采用板對接形式，為了便于操作將曲面簡化為平板（圖2）。鋼板厚度方向1/ 2 處垂直軸線方向沿焊縫中心鉆Φ8mm 孔，孔深250mm；距離焊縫邊緣50mm 處和80mm 在焊縫兩側各鉆一個Φ8mm 孔，孔深250mm。

圖2 矩形熱處理試板模型

2.3 試件尺寸

（1）在垂直軸線方向采用500mm 寬度鋼板（焊縫長度方向），推薦長度10～15 倍的焊縫寬度。

（2）在軸線方向（垂直焊縫方向）因為溫度場沿軸線方向對稱流失，其長度根據(jù)有限元的模擬需要總長度≥1200mm。

2.4 溫度測量

采用三個Φ3mm 的測溫熱電偶插入孔內測溫。為保證測量的準確性，孔內采用導熱系數(shù)與鐵相近的材料進行填充。

3 驗證性實驗

根據(jù)GB/ T 30583- 2014《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》現(xiàn)行標準規(guī)范進行焊后熱處理，采用WDK- 240 型溫控柜進行加熱和控溫，R3100- A108- SU- MB- VAC 型無紙記錄儀表進行溫度記錄和測溫。按照標準工藝升溫速率進行加熱，在20～300℃階段，可以1h 完成升溫；而300～620℃范圍內，需以5500/ δ 的升溫速率進行升溫，其中δ 為設備厚度，取δPWHT=94mm。計算得到升溫速率為55℃/ h ≤V≤58℃/ h，此段至少需5.6h；最短保溫時間為2+ (δPWHT- 50)/ 100=2+ (94- 50)/ 100=2.44h；降溫速率為55℃/ h≤V≤81℃/ h，此段最快需3.7h。所以，最短熱處理共需11.78h。

按照確定的工藝參數(shù)進行驗證性模擬實驗：在試件鋼板厚度中心方向鉆孔進行測溫，其中上表面測溫點：2#（距離焊縫邊緣50mm），5#（焊縫中心）；厚度方向中心截面測溫點：8#（距離焊縫邊緣50mm），1#（焊縫中心）；下表面測溫點：4#（距離焊縫邊緣50mm），3#（焊縫中心）。實驗發(fā)現(xiàn)，保溫開始后上下表面測溫點2# —5# 達到600℃，中心1# 測溫點延遲35min 達到600℃，中心8#測溫點保持575±5℃。詳見表1。

表1 矩形熱處理試板局部熱處理制度

4 數(shù)值模擬驗證

4.1 基本假設

局部熱處理驗證性試件對接焊縫區(qū)域在熱處理的加熱和冷卻過程中，由于表面、中心的加熱和冷卻速度不一致及軸向熱量傳遞的影響，會形成溫差，產生應力，對試件的形狀、尺寸和性能都有極大的影響。假設保溫后溫度均勻、熱處理后殘余應力全部消除、加熱試件無變形。

4.2 材料性能

選擇材料與原料氣干燥罐材質Q345R（正火）相同、厚度相等的低合金鋼材料，化學成分和各項物理性能見表2，氣泊松比取μ=0.3，密度ρ=7850kg/ m3。

表2 Q345R 低合金鋼的材料物理屬性

4.3 模型尺寸和網格劃分

為達到和現(xiàn)場承壓設備合攏焊縫相似的邊界條件，熱處理試板需要在三個方向模擬該設備：該承壓設備筒體厚度為94mm，因此所選熱處理試板的厚度為94mm；長度方向（即筒體軸向）通過對設備的數(shù)值模擬可知，離開焊縫兩側各1m 距離后，溫度變化梯度較小，因此取長度為2m；試板的寬度方向模擬設備的周長方向，理論上設備在周向方向是一個閉合的整體，并無對外散熱，為模擬絕熱條件，所以需要將寬度方向完全進行保溫，盡量使寬度方向接近絕熱條件。建立有限元模型并劃分網格圖（圖3），上下兩面加載的熱流密度與模擬實驗加熱工藝相同，裸露鋼板表面及隔熱層外表面加載自然對流邊界條件。

圖3 局部熱處理驗證性試板網格圖劃分

4.4 熱處理過程溫度場模擬

對圖3 所示模型及邊界條件采用表1 的加熱、保溫、降溫工藝進行加載計算，得到等厚焊接局部熱處理后和保溫完成后的溫度場分布下圖，見圖4—圖6。

圖4 保溫完成后溫度場分布

圖5 加熱完成后焊縫溫度場分布

圖6 保溫完成后焊縫及均溫帶溫度場分布

從溫度場模擬可以看出，當寬度方向進行絕熱處理后，在該方向無溫度梯度，可以模擬圓筒結構。長度方向焊縫區(qū)和均溫帶的溫度均在600℃以上，確保了焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的熱處理效果。厚度方向的溫度場基本對稱，最高溫度出現(xiàn)在壁面，因為該處與加熱器接觸；最低溫度區(qū)域出現(xiàn)在壁厚中間；最高溫度與最低溫度之差在10℃左右，尤其是保溫完成后，內外表面溫差已小于10℃。

4.5 熱處理溫度變化趨勢結果分析

從計算分析模擬熱處理試件焊縫中心線、焊縫熔合線、均溫帶邊緣加熱結束和保溫結束后在壁厚方向上的溫度變化折線圖（圖7），以及熱處理試板加熱結束和保溫結束后焊縫不同部位的溫度對比折線圖（圖8），可見焊縫中心和熔合線溫差較小。說明整個焊縫區(qū)域溫度較為均勻，焊縫區(qū)所有部位溫度在620℃以上；熱處理后焊縫區(qū)和均溫帶整體溫度分布區(qū)間為620±20℃。在均溫帶溫度有所降低，但均溫帶溫度亦高于600℃，確保了熱影響區(qū)的熱處理溫度，滿足熱處理要求。

圖7 加熱結束后不同位置壁厚方向溫度變化

圖8 保溫結束后不同位置壁厚方向溫度變化

4.6 熱處理溫度時間歷程分析

通過熱處理試件焊縫中心、焊縫熔合線，以及均溫帶的內壁、外壁及壁厚中間溫度隨時間的變化曲線，可以看出內壁和外壁的溫度曲線基本重合，壁厚中間溫度與壁面溫度存在一定偏差。但從前面的結果可知，該差值在10℃左右，保溫完成后該差值小于10℃。為更清楚地表示壁面和內部加熱時的時間差，對慢速升溫尾部進行局部放大可以看出，內壁和外壁的升溫時間基本相同，壁厚中間和外壁的升溫時間差大約為14 min。圖9 為矩形試板焊縫兩側軸向溫度梯度曲線。

圖9 矩形試板焊縫兩側軸向溫度梯度

5 結果對比

通過采用有限元分析的方法進行局部熱處理驗證性試件數(shù)值模擬和現(xiàn)場模擬實驗對比來驗證δPWHT為94mm，Q345R 材料焊后局部熱處理擬定實驗工藝參數(shù)的對比如表3 和圖10 所示。

經有限元數(shù)值模擬和擬定局部熱處理實驗的溫度檢測比對，可以看出對于熱處理試件上、下表面保溫開始最大溫差在熔合線附近偏差36℃，最小溫差在焊縫偏差16℃；熱處理試件上、下表面保溫結束始最大溫差在熔合線附近偏差28℃，最小溫差在均溫帶偏差18℃，熱處理溫度均在600℃以上；熱處理試件焊縫厚度中心面保溫開始最大溫差在熔合線附近偏差49℃，最小溫差在焊縫中心32.5℃；熱處理試件焊縫厚度中心面保溫結束最大溫差在熔合線附近偏差49℃，最小溫差在焊縫中心偏差32.5℃，數(shù)值模擬溫度在600℃以上，擬定實驗厚度中心面溫度測量在600℃以下，最大偏差22℃。按照Q345R 標準熱處理溫度620±20℃，94mm 厚度中心面溫度值與最低熱處理要求最大偏差為22℃，下限偏差3.6%。

表3 數(shù)值模擬和擬定驗證實驗溫度比對表 ℃

圖10 焊縫厚度方向中心測溫點數(shù)值模擬與擬定驗證實驗偏差折線圖

6 結論

通過對實驗熱處理試板的實際溫度數(shù)據(jù)可知，數(shù)值模擬結果與實驗結果非常接近，說明該項目局部熱處理技術計算采用的數(shù)值模擬方法可行。

熱處理試板的有限元數(shù)值模擬結果表明，通過橫向保溫技術在矩形板中創(chuàng)造與圓筒相同的邊界條件，并采用與圓筒相同的方式進行熱處理，包括相同的板厚、焊縫寬度、均溫帶寬度、加熱寬度、加熱功率和保溫寬度，最終可以得到與圓筒相似的溫度分布及溫度- 時間曲線。因此，采用焊接熱處理試板可以模擬圓筒形壓力設備局部熱處理的溫度場，通過對熱處理試板內部溫度進行測量，可以間接評估壓力設備熱處理過程的溫度。

參考《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》表2 焊后熱處理溫度低于規(guī)定最低保溫溫度時的保溫時間，計算出δPWHT為94mm 的Q345R 材料最短保溫時間為2.45h，與設定擬定驗證性實驗時間2.44h 幾乎相等。所以，局部熱處理驗證性實驗可行，但熱處理時要根據(jù)模擬分析和實驗適當延長保溫時間。