現場組焊設備整體熱處理技術

張 東，吳 俊，王 超

中國石油天然氣第七建設有限公司，山東青島 266061

哈薩克斯坦PKOP奇姆肯特煉油廠，位于古絲綢之路交匯點的南哈州首府奇姆肯特市，是哈國三大煉油企業之一。該廠于上世紀80年代建設，由于工藝落后逐漸不適合發展需要，鑒于此，在中哈兩國政府的支持和石油公司的努力下，以恢復產能600萬t/a、提高加工深度、改善環保標準為目標，決定對其進行升級改造。

該項目現場組焊的非標設備比較多，采用不同的熱處理方法，其中需要進行整體熱處理的設備多達14臺，是一個熱處理系統工程。因此必須提前做好充分的策劃，既要考慮到這些設備熱處理之間的特性，也要考慮到他們的共性，找到最佳的接合點，在保證質量和安全的前提下，達到經濟、合理、高效的熱處理目標。

1 工程概況及特點

哈薩克斯坦PKOP奇姆肯特煉油廠的現代化改造以新建200萬t/a重油催化裂化裝置為主，主要包括100萬t/a催化汽油加氫、火炬系統等13套裝置的改造。由于部分設備尺寸較大，受國外運輸條件限制等，經過對整個改造項目所有非標設備進行梳理，結合我國和哈國沿線的運輸能力等進行綜合考慮，確定了該改造項目現場組焊設備的整體熱處理工程量，見表1。

該工程項目的特點如下：

（1）由于受國內外運輸條件的限制，增加了設備現場熱處理的工作量。

（2）熱處理設施、材料及人員受出關及簽證等要求的限制，增加了施工組織難度。

表1 現場組焊設備整體熱處理明細

（3）國外依托條件差，需做好熱處理的充分準備，以保證熱處理的順利進行。

2 熱處理目的和整體籌劃

2.1 熱處理目的

消除熱處理設備在組裝和焊接中產生的殘余應力，穩定幾何尺寸；進一步釋放焊縫中的有害氣體，預防焊縫氫脆和裂紋的發生；改善焊接接頭和熱影響區的組織性能，降低硬度，提高塑韌性，達到提高設備使用壽命的目的[1]。

2.2 熱處理整體籌劃

根據表1統計，共有14臺設備需要在現場進行焊后整體熱處理，由于設備尺寸各不相同，采用同一熱處理方法，將導致熱處理作業的極大浪費和不適用。因此，為保證現場組焊設備熱處理的經濟、效率和質量的最優化，經過充分討論和分析，確定了以下熱處理方法。

（1）關于三級旋風分離器上部球形封頭部分的熱處理，由于該結構尺寸較大（直徑達7.6 m），不能在熱處理爐內進行處理，且由于封頭高度較低，采用內部燃油法處理時火焰長度不均勻，因此采用內部設置電加熱片、外部溫度自動控制和測量的方法進行熱處理。

（2）關于其余13臺現場組焊設備的熱處理，由于設備形狀較規則，均為塔器和儲罐類長圓形設備，為保證熱處理效果和利用率，根據13臺設備中最大的設備即分餾塔的尺寸（直徑5.4 m，長度25 m），在現場塔設長30 m、高和寬各7 m的模塊化熱處理爐一座，13臺熱處理設備按照組焊完成時間，可一臺或多臺在爐內完成熱處理。

3 熱處理措施

3.1 三級旋風分離器封頭熱處理

3.1.1 基本參數

根據圖紙要求，三級旋風分離器（簡稱三旋）上封頭焊后需進行熱處理，上封頭為球型封頭，內徑7 600 mm，材質為Q345R，壁厚46 mm，設計壓力為0.35 MPa，設計壁溫343℃，設計介質溫度788℃，熱處理封頭質量約31 t，如圖1所示。根據現場資源等條件，決定在現場分片組焊完成后，采用將封頭扣在平整地面上、內部設置電加熱片、外部進行絕熱保溫的方法進行熱處理。

圖1 三級旋風分離器上封頭外觀

3.1.2 熱處理工藝要求

三旋封頭熱處理工藝按圖2曲線執行[2]。

圖2 三旋封頭熱處理工藝曲線

（1）升溫速率。當溫度小于400℃時可不予控制；大于400℃時，升溫速率控制在80～120℃/h之間，實際設置為100℃/h。升溫時的最大溫差≤120℃。

（2）保溫時間。保溫時間為120 min，保溫最高與最低溫度之差不宜大于80℃。

（3）降溫速率。當溫度≤400℃時可不予控制；大于400℃時，降溫速率控制在100～140℃/h之間，實際設置為120℃/h。

3.1.3 三旋封頭熱處理措施

主要包括以下四個方面[3]：

（1）熱處理場地布置。在現場設置一處至少10m×10 m的場地，先對場地進行清理及找平，然后在其上敷設厚度不小于200 mm、直徑不小于9 000 mm的硅酸鋁針刺毯，再在其上擺上8根20號工字鋼，每根長1 m，擺成對稱的八卦型。

（2）熱處理加熱裝置布置。在工字鋼設置完畢后，根據熱工計算，確定電加熱片數量和位置，保證熱源的供給和穩定。電加熱片為框架式陶瓷電加熱器，共設置56片，每片10 kW，采用2臺DWK-I型電腦溫控儀控制。爐內電加熱器的布置固定應盡量做到溫差最小，底部均勻布置。爐內電加熱器的連接采用φ6 mm的不銹鋼圓鋼，兩根合并使用，引出爐外再用特制連接器與外導線連接，接到DWK-I型電腦溫控儀，每組零線焊在一起。所有加熱器均采用星形接法，同步通電加熱。溫控柜、電加熱片布置見圖3～4。三旋爐內熱處理控溫設備采用國內最先進的DWK-I型電腦控制設備，共2臺，溫度控制范圍0～1 000℃，控制精度±1℃，將設定的工藝參數輸入電腦進行溫度控制及記錄。

圖3 溫控柜布置

圖4 電加熱片布置

（3）設備就位及保溫設置。電加熱片布置完畢后，扣上熱處理封頭，見圖5。在封頭外部設置熱處理保溫披掛，以頂部大接管根部為中心向下進行點焊，共設置30條披掛，最下部間距為800 mm，然后采用硅酸鋁針刺毯進行不小于100 mm厚的保溫。3個大接管采用披掛進行保溫，端部用鐵皮進行封堵，并在中心設置可調通風孔。頂部接管通風孔不小于DN250，側面兩大接管通風孔不小于DN150，在熱處理過程中通風孔打開，并根據接管檢測溫度進行調節，見圖6。

圖5 封頭擺放

圖6 封頭保溫

（4）測溫系統設置。本設備共設置2圈測溫熱電偶，下圈均布5支，上圈均布4支，另在其他兩個大接管下部各設置1支熱電偶，共11支，如圖7所示。

圖7 熱電偶布置示意

3.1.4 熱處理步驟

其一，熱處理前檢查熱處理封頭是否全部具備條件，設備焊縫、墊板、接管和內部連接件焊接應檢測合格，并完成保溫披掛的設置。其二，熱處理前提前查看天氣情況，選擇無雨、無大風等時段進行熱處理。其三，熱處理場地設置完畢，電加熱片等布置完畢。其四，封頭吊至指定位置。其五，封頭保溫、熱電偶、焊接試板布置完畢。其六，現場設置警戒區域，通電調試，合格后進行熱處理。其七，熱處理過程中和完成后檢查熱處理曲線，并應對熱處理設備進行檢查，看是否有明顯異狀。

3.1.5 熱處理后的質量檢查和評定

熱處理過程實行全過程檢查制度，首先檢測熱處理溫度控制有無異常變化，曲線波動是否合格，然后專人對熱處理進行全過程巡檢，保證熱處理過程無異常。現場組焊設備熱處理后按要求對A、B、D焊縫進行硬度檢測，每處按5點進行，即焊縫區、兩側熱影響區、兩側母材區各測一點，硬度值應≤220 HBW，如有不合格，允許重新打磨后再檢測，若再次不合格，則重新進行熱處理直至合格。

經過精心籌劃和提前準備，順利完成了熱處理工作，并取得了良好的效果。

3.2 設備爐內熱處理

3.2.1 熱處理爐建造[4]

考慮到13臺進爐熱處理設備中最大的設備為分餾塔，直徑5.4 m，長度25 m，決定在現場預制廠房東部建造長30 m、高寬各7 m的熱處理爐一座；再考慮到其他熱處理設備的長度范圍，決定把熱處理爐分為8個模塊，中間6塊每個模塊長4 m，兩端每個模塊長3 m。按每1.5 m的距離布置一對噴嘴（D_320C/Z4-121G），共計40個，在爐兩側交叉布置。保溫采用定型塊。熱處理爐如圖8所示。熱處理設備可按實際長度，采用相應的模塊數量進行熱處理。

圖8 熱處理爐設計圖

3.2.2 工藝設計參數

爐型為可拆卸燃油熱處理爐，爐膛為30 000 mm×7 000 mm×7 500 mm（分8個大模塊），底部不設置爐臺和臺車，爐子直接座落在壓實平整的地面上。最大工件尺寸，φ 5 400 mm×28 000 mm（直徑×長）；有效加熱區尺寸：30 000 mm×6 500 mm×6 500 mm（長×寬×高）；最大裝載量：200 t（不含支座）；最高使用溫度：850℃，工藝常用溫度：600～750℃；爐溫均勻性：有效加熱區，保溫時≤±10℃；升溫速率：55～220℃/h（滿載時）可調（≥400℃時），降溫速度：55～280℃/h可控（≥400℃時），空溫升溫時間：≤2 h；燃料及發熱值：0#～-10#輕柴油，低發熱值，約43 960 kJ/kg；燃料最大消耗量：1 150 kg/h。燒嘴類型：一體燃燒器、明焰加熱、大/小火脈動燃燒；燒嘴數量：TBL85P型（850 kW），意大利百得原裝二段火燃油燃燒器，共24臺；油箱及管路：爐體二側各配一只8 t油箱，并配油泵、過濾器及油位顯示尺；控/測溫熱電偶：鎳鉻-鎳硅（K分度號），共24支（兩側控溫）；控溫區：24區（一控一）；全爐電力安裝總功率：20 kVA（三相四線，～380 V/50 Hz）；爐體表面溫升：≤50℃；控溫方式：西門子S7-300 PLC+西門子Wicc6.0組態軟件集散式控制系統，采用工業以太網開放式網絡結構，具備隨時查看近五年各爐記錄并打印記錄，有紙記錄儀采用上海大華品牌。環保要求：排煙、噪聲、環衛、安全等達到國家行業標準。建造完成的熱處理爐如圖9所示。

圖9 建造完成的熱處理爐

3.2.3 分餾塔等13臺設備爐內整體熱處理工藝

分餾塔等13臺現場組焊設備基本參數見表1，由于工藝相近，熱處理程序基本一致，因此以分餾塔為例，對爐內整體熱處理工藝進行詳細敘述。

（1）分餾塔基本參數。分餾塔直徑φ5.4 m，長5.137 4 m，塔體下部選用（S11306+14Cr1MoR）復合板，厚度為（48＋3）mm，上部選用Q345R鋼板，厚度為18 mm，塔體下部復合板部分需進行焊后熱處理，外形見圖10。

（2）分餾塔熱處理工藝。熱處理工藝按圖11的曲線執行。

（3）熱電偶布置。測量熱處理溫度的熱電偶布置，按規定間距不得大于4 600 mm，本設備長度為22 500 mm，因此共設置5圈，每圈均布4支，其中一支須設置在底部，另在封頭外側中心處設置一支，焊接試板設置一支，共22支；設置時宜在距焊縫邊緣20 mm左右處，用螺栓擰緊。熱電偶布置見圖12[5]。

圖10 分餾塔外形

圖11 分餾塔熱處理曲線

（4）熱處理主要步驟。其一，熱處理前檢查分餾塔熱處理段是否全部具備條件，完成設備焊縫、墊板、接管和內部連接件焊接，并檢測合格，熱電偶固定螺母按指定位置固定完畢；其二，熱處理前提前查看天氣情況，選擇無雨、無大風等時段進行熱處理。熱處理前需在儲油罐里儲備10 t以上的柴油；其三，熱處理爐在熱處理前提前拆卸，全部拆卸直至剩最后一塊，并在底部設置3對型鋼進行支撐，每對型鋼采用H250型鋼兩根重疊點焊在一起，型鋼底部找平并鋪設鋼板，待設備吊至型鋼上后用鍥子穩固；其四，熱處理段在第一預制場制作完畢后，采用兩臺400 t履帶吊抬至熱處理爐內，然后封閉爐子，連接熱電偶，接線，打開油閥進行熱處理；其五，熱處理前應對每個燃燒器進行試燃，合格后按工藝要求進行升溫、恒溫、降溫控制；其六，熱處理過程中和完成后，應檢查熱處理曲線，爐蓋打開后應對熱處理設備進行檢查，合格后用吊車抬出爐外。

3.2.4 熱處理質量檢查和評定

圖12 分餾塔熱電偶布置

熱處理過程實行全過程檢查制度，首先檢測熱處理溫度控制有無異常變化，曲線波動是否合格，然后組織1～2人對熱處理爐周圍進行現場巡檢，保證熱處理全過程無異常，否則應及時報告熱處理領導小組人員，再制訂技術措施進行處理?，F場組焊設備熱處理后按要求對A、B、D焊縫進行硬度檢測，每處按5點進行檢測，即焊縫區、兩側熱影響區、兩側母材區各測一點，硬度值應≤220 HBW[4]。

3.2.5 分餾塔爐內熱處理主要質量控制點

其一，熱處理應做好防風、防雨及防雷措施，避免在極端天氣下進行；其二，設備接管法蘭面用保溫材料覆蓋，防止產生氧化層影響密封面質量；其三，產品焊接試板應同爐熱處理，單獨設置熱電偶測溫；熱處理火焰太長可能直接噴射在設備本體上，應做好遮擋措施。

3.2.6 分餾塔爐內熱處理主要HSE控制點

其一，進行作業的人員必須各負其責，遵守各自工種的安全操作規范，做好各自崗位的安全工作，施工前、施工中，隨時檢查安全環境、設備安全完好情況，并相互檢查、提醒；其二，熱處理用的燃油儲箱應無泄漏，輸送管帶及其接頭應牢固密封無泄漏；其三，柴油為易燃物品，必須加強管理，設專人監護使用，嚴防設備管路滲油、漏油；其四，熱處理時，設備區域場地不得有雜物、障礙物等不安全因素存在，熱處理危險區域應有人員巡檢，嚴禁無關人員進入危險區域。分餾塔爐內熱處理后效果見圖13。

4 結束語

圖13 分餾塔爐內熱處理后效果

該項目現場組焊的非標設備多，又因在海外進行施工作業，運輸路線長，依托條件差，因此一切均需籌備完善，方能完成此任務。通過仔細研究，確定了以模塊化爐內熱處理為主，結合內部電加熱的方法，完成所有設備的焊后熱處理，最終順利地完成了14臺大型非標設備的熱處理工作。該項目的成功實施，為今后同類大型工程設備的整體熱處理施工，特別是需克服國外運輸條件受限、人員簽證受限、當地資源貧乏情況下的一次熱處理施工，提供了寶貴經驗和思路。