ASME 規范制二氧化碳容器焊后熱處理工藝改進

林春風，謝 亮

（中國石油 遼陽石油化纖公司機械廠，遼寧 遼陽 111003）

中國石油遼陽石油化纖公司機械廠承攬國外120 臺二氧化碳容器制造任務。二氧化碳容器外形尺寸約為ф782×1481(單位mm), 主體材料SA-662 Gr.C （P-No.1 Gr. No. 組1,2,3），厚度20 mm。按照圖紙技術要求，此二氧化碳容器制造完畢后需要對其進行焊后熱處理（消應力退火）。因設備設計是按ASME 規范中的相關規定進行的設計，故此，熱處理工藝也需按照ASME 中的相關規定進行。考慮到遼陽石油化纖公司機械廠熱處理設備的實際情況，結合我國對消除應力熱處理的相關規定及經驗，作者制定了適合本廠的熱處理工藝實施手段，熱處理后經X 射線應力分析儀（型號：MSF-3M/PSF-3M）對容器主要焊縫進行殘余應力測定，滿足了熱處理工藝的要求，提高了勞動效率。

1 原始工藝及實施

按ASME 2007 SECTION VIII-Division I 中UW-40(C) 中要求規定，當一次裝爐對一件以上的受壓容器或受壓容器零件進行焊后熱處理時，熱點偶應置于裝爐的底部、中部和頂部的容器上或可能有溫度變化的其他區域內，已使所得出的溫度指示為那些區域中所有容器或零件的真實溫度（僅測量爐內氣體溫度被認為不準確）。也就是說，按ASME的規定，對容器進行焊后熱處理時候，測溫電偶必須固定于容器上。

同時，在UCS-56（d）中規定:

（1）容器或部件放入爐中時，爐溫不應超過800 ℉（425 ℃）。

（2）在800 ℉（425 ℃）以上時，升溫速度不應超過400 ℉/h（222 ℃/h）除以殼體或封頭最大板厚（以英寸計）的比值，且不超過 400 ℉/h（222℃/h）。升溫過程中，容器受熱部分在任一15 英尺（4.6 m）長度段內，溫度的變化不得大于 250 ℉（139 ℃）。

（3）用屬于P-No. 1 , Gr. No. 1,2,3 材料制造的容器或容器部件應當在下列表1 中規定的時間范圍內保溫。

表1 碳鋼和低合金鋼焊后熱處理要求Table 1 Requirements of post welding heat treatment of carbon steel and low alloy steel

如果溫度低于常規保溫溫度，那么最低保溫時間必須要以表2 中給定的保溫時間為依據。

表2 碳鋼和低合金鋼焊后熱處理可選要求Table 2 Optional requirements of post welding heat treatment of carbon steel and low alloy steel

升溫及保溫過程中，應控制爐中氣氛，以防止容器表面過分氧化。爐子應設計為避免容器被直接加熱的形式在封閉爐內800 °F（425 °C）以上溫度進行冷卻時，冷卻速度不應超過500 ℉/h（278 ℃/h時）除以殼體或封頭最大板厚（以英寸計）的比值，且不超過 500 ℉/h（278 ℃/h）。800 °F（425 °C）以下，容器可在靜止空氣中冷卻。

我廠現有最大容量熱處理退火爐RJT-450-11(帶強制風循環系統)爐內可裝工件的最大空間為3 500×2 500×1 500(長×寬×高，單位mm)工藝實施如圖1 所示。

圖1 熱電偶及容器布置簡圖Fig. 1 Thermocouple layout diagram

因我廠現有熱處理爐的尺寸限制，每次最多能裝此二氧化碳容器5 臺。此臺車式爐配備4 件熱電偶，爐內上端及周圍3 側各布置一件，爐內頂部配有強制風循環系統，如按ASME 中對熱電偶布置的要求實施熱處理的話則很難實施且勞動效率低。原因如下：熱處理爐配備的熱電偶為直形可動法蘭式,安置位置為爐內上端及周圍3 側各布置一件，如按ASME 中的要求布置，熱電偶需固定在受熱容器上，這樣操作起來很困難，同時在熱處理完一爐在繼續熱處理第二爐的時候必須得等到爐內溫度降到室溫人工才能繼續操作，浪費了能源,勞動效率低。

熱處理曲線如圖2 所示。

圖2 消除應力熱處理曲線Fig. 2 Stress relief heat treatment curve

2 我廠制定的工藝實施方案

去應力退火屬于第一類退火，是不以組織轉變為目的的退火工藝方法。它的工藝特點是通過控制加熱溫度和保溫時間以改變鋼的熱力學與動力學條件，使其靠濃度梯度、應力梯度、界面能等自發地由冶金及冷熱加工過程中產生的不平衡狀態（如成分偏析、加工硬化、內應力等）過渡到平衡狀態。在整個工藝過程種，加熱與冷卻速度的變化對改變這種狀態不起主導作用。因此，控制加熱溫度及保溫時間的準確性是去應力退火的關鍵。

我廠擬采用利用現有設備熱處理能力，原始電偶位置不變化的熱處理方法對此批二氧化碳容器進行消應力熱處理。為了保證工件熱處理時加熱溫度的準確性能，采用空載試驗的方法對爐進行熱處理爐有效加熱區的測定。有效加熱區也在國內也叫有效工作區域，熱處理爐的有效加熱區僅與熱處理工藝有關，與爐子型式、結構、熱源類型無關。

對熱處理爐有效加熱區檢測裝置如圖3 所示。

圖3 有效加熱區檢測裝置布置示意圖Fig. 3 Effective heating zone detection device layout schematic

測溫架采用材質為 0Cr18Ni9 規格為ф19x2的不銹鋼管焊成，圖示1、2、3～10 點分別固定熱電偶，而后通過補償導線和轉換開關、檢測儀表相連。測溫架尺寸為1 800×2 400×1 450(長×寬×高，單位 mm)。對爐有效加熱區保溫精度按標準要求為±15 ℃、控溫精度為±8 ℃、記錄儀表指示精度不低于0.5%，測溫架的在爐中的位置做好相應的標記。

檢測用熱電偶規格如表3 所示。

轉換開關為WK112－A型低電勢轉換開關具有3 min 內準確轉換全部檢查點的功能，并不產生附加熱點勢。檢測儀表選擇FLD5008 多路溫度記錄儀，測量精度優于0.5 級。

測溫時，溫度定為工藝熱處理溫度 600～640℃，保溫期間測溫架的各測溫點最高與最低溫差不得大于83 ℃.測溫時，把測溫架推入爐膛內假設的有效加熱區的位置，并從爐門側引出電偶絲。

表3 檢測用熱電偶規格Table 3 Thermocouple specifications for detection

有效加熱區檢測熱電偶用補償導線要求如表 4所示。

表4 有效加熱區檢測熱電偶用補償導線規格Table 4 Thermocouple compensation wire specifications for detection of effective heating zone

經實際測溫，測溫架內加熱空間滿足熱處理工藝要求，為有效加熱區。

經實際測溫后得到數據如表5 所示。

同時，在容器制造過程中，要盡量保證二氧化碳容器殼體的組裝質量。組裝質量的優劣主要體現在橢圓度、角變形及錯邊量的大小等方面。如果殼體組裝的形狀不規則，橢圓度超過殼體內徑的 5‰，就會使一些接頭產生較為復雜的內應力，進而產生裂紋。對二氧化碳容器的焊接上，也從焊接材料——包括焊接材料的選擇、嚴格控制焊條烘干制度、控制焊接線能量、控制預熱溫度、控制層間溫度、控制后熱及消氫處理溫度、合理安排焊接順序、控制焊接環境、控制焊接檢驗及焊工技能考核等方面加以合理控制，最大限度的減小焊接應力的產生。

表5 測量的實際溫度Table 5 Measurement of the actual temperature

熱處理爐有效加熱區確定后，我廠按此有效加熱區空間布置二氧化碳容器，先試驗3 爐，每爐按圖1 所示裝5 臺容器，熱處理后分別對二氧化碳容器筒體與封頭間環縫、筒體拼接縱縫、管臺與筒體間搭接焊縫進行測試，經測試，殘余應力消除68%～77%，滿足要求。后經給國外某公司提供相關數據測試，并經AI 確認，同意我廠用此方法對二氧化碳進行消除焊接殘余應力熱處理。

3 結 論

經對我廠現有熱處理退火爐 RJT-450-11 進行有效加熱區確定后，在熱處理爐有效加熱區內對二氧化碳容器容器進行的焊后熱處理，滿足工藝要求，減少了按ASME 中要求電偶固定在容器上測溫的程序，提高了勞動效率。

［1］ 全國熱處理標注化技術委員會.金屬熱處理標準應用手冊 （第 2版）[M]. 北京：機械工業出版社，2005-07.

［2］ ASME 鍋爐及壓力容器委員會壓力容器分委員會.壓力容器制造規程.（2007 SECTION Ⅷ-DIVISION 1）[M].北京：中國石化出版社，2005.

［3］國家標準局.GB7704-87 X 射線應力測試方法[S].北京: 1987-05-04 .

［4］中國機械工程學會熱處理學會編.熱處理手冊[M].北京：機械工業出版社，2001-04 .

［5］樊東黎.熱處理技術數據手冊[M].北京：機械工業出版社，2000 .