倒置燃燒器球罐內(nèi)燃法整體熱處理施工技術(shù)

中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司 河南洛陽(yáng) 471023

某國(guó)外工程中有兩臺(tái)2000m3的丙烷球罐，直徑為13.5m，容積為1280m3，材質(zhì)為SA 537 CL1，壁厚50.4mm，設(shè)計(jì)執(zhí)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為ASME Setc. VIII DIV.1-ED.2010。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為僅有上部人孔，下極板上只有一個(gè)10英寸的管嘴。采用燃料內(nèi)燃法對(duì)這兩臺(tái)球罐進(jìn)行整體熱處理的難點(diǎn)在于，罐底10英寸的管嘴無法滿足燃燒器安裝空間，為此，現(xiàn)場(chǎng)采用從上部人孔安裝燃燒器噴嘴的方法來進(jìn)行該球罐的熱處理。一般情況下，從球罐底人孔安裝加熱器噴嘴進(jìn)行熱處理時(shí)，火焰距離下極較近，熱輻射作用主要集中在下極，熱氣流對(duì)流作用又能較好地加熱上極，球體各點(diǎn)溫差較易控制。相對(duì)于此，從上部人孔安裝加熱器噴嘴進(jìn)行熱處理則需要根據(jù)熱處理各階段的熱量需求來嚴(yán)密控制燃燒器的供氣量、排氣量等工藝參數(shù)，以達(dá)到升降溫速度受控、球體各點(diǎn)溫差受控等熱處理工藝的要求，從而獲得合格的熱處理曲線。

1 原理

倒置燃燒器內(nèi)燃法進(jìn)行球罐整體熱處理是將球罐本體作為熱處理爐膛，將燃燒器的噴嘴通過上部人孔伸入球罐內(nèi)對(duì)球體進(jìn)行加熱，在球罐外壁安裝熱電偶，使用隔熱層保溫材料防止熱量損失。通過溫控系統(tǒng)控制燃燒器的供氣量、排氣量等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)球體均勻供熱；根據(jù)熱處理工藝曲線進(jìn)行升溫、恒溫和降溫過程的控制，獲得符合要求的熱處理工藝曲線，從而達(dá)到加速焊縫氫擴(kuò)散、消除焊接應(yīng)力的熱處理效果。

2 施工工藝

2.1 熱處理工藝參數(shù)

升溫階段起始控制溫度：300℃；降溫階段終止控制溫度：300℃；恒溫溫度：610±15℃；最短恒溫時(shí)間：135min；升溫速度控制：300℃以下不做控制，300℃以上控制在50～80℃/h；降溫速度控制：300℃以上控制在50～80℃/h，300℃以下不做控制；升溫時(shí)任意兩熱電偶最大允許溫差：80℃；降溫時(shí)任意兩熱電偶最大允許溫差：60℃。

2.2 熱處理前準(zhǔn)備工作

（1）熱處理前應(yīng)確認(rèn)所有的焊縫焊接完成，并按設(shè)計(jì)文件及規(guī)范要求檢測(cè)合格。

（2）在防爆區(qū)域施工，應(yīng)考慮采取隔離等安全措施。

（3）與熱處理無關(guān)的管嘴全部用臨時(shí)盲板進(jìn)行封閉。

（4）現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)是否有對(duì)球體膨脹位移有礙的部位，若有則應(yīng)全部斷開。

（5）松開所有柱腿的地腳螺栓和拉桿螺栓，使之處于放松狀態(tài)。

（6）安裝柱腳位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（7）產(chǎn)品焊接試板放置在球罐熱處理高溫區(qū)外側(cè)。

（8）關(guān)注天氣預(yù)報(bào)，熱處理施工應(yīng)盡量避開風(fēng)雨天氣。

2.3 安裝測(cè)溫點(diǎn)

（1）熱電偶及記錄設(shè)備應(yīng)校驗(yàn)合格，并獲得校驗(yàn)證書，以保證其性能可靠。

（2）應(yīng)繪制測(cè)溫點(diǎn)布置圖，并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)。測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)均勻布置在球體外表面，測(cè)溫點(diǎn)的個(gè)數(shù)及相鄰測(cè)溫點(diǎn)的間距均應(yīng)符合規(guī)范要求。

（3）按測(cè)溫點(diǎn)布置圖安裝熱電偶，并將其固定在球殼上的對(duì)應(yīng)位置。

（4）每個(gè)產(chǎn)品焊接試板應(yīng)設(shè)置一個(gè)熱電偶。

（5）熱電偶應(yīng)按 1：1 的比例備用。

2.4 安裝保溫棉

（1）應(yīng)根據(jù)熱處理工藝要求的溫度、材料的容重、導(dǎo)熱系數(shù)等進(jìn)行熱損耗計(jì)算，以此選擇保溫棉的材質(zhì)和厚度。

（2）保溫棉應(yīng)保持干燥，不得受潮。

（3）保溫層應(yīng)緊貼球殼表面，接縫應(yīng)嚴(yán)密，綁扎固定牢靠，避免熱處理過程中保溫棉脫落。多層保溫時(shí)，保溫棉應(yīng)錯(cuò)縫安裝。

（4）人孔、接管、連接板均應(yīng)進(jìn)行保溫。球殼與柱腿焊縫下方1m范圍內(nèi)也應(yīng)進(jìn)行保溫。

2.5 柱腳位移計(jì)算

球罐受熱膨脹量可按公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中，Δt——柱腳移動(dòng)量，mm；

R——球罐的外半徑，mm；

T ——熱處理時(shí)球殼的溫度，℃；

α——鋼材膨脹系數(shù)，SA 537 CL1材質(zhì)在T≤250℃時(shí)，α=11.5×10-6/mm?℃； 當(dāng) 300℃＜T≤400℃時(shí)，α=12.5×10-6/mm?℃； 當(dāng) 400℃＜T≤500℃時(shí)，α=13.5×10-6/mm?℃； 當(dāng) T＞500℃時(shí)，α=1=14.5×10-6/mm?℃。

將此次擬熱處理的兩臺(tái)球罐的參數(shù)代入公式（1）中，得到球罐柱腳在熱處理過程中對(duì)應(yīng)溫度下的位移見表1。

表1 球罐柱腳位移監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表

2.6 加熱系統(tǒng)安裝

該加熱系統(tǒng)是數(shù)控加熱系統(tǒng)，主要由數(shù)控操作主機(jī)、LPG儲(chǔ)氣罐、噴霧器、輸氣管線、氣體調(diào)節(jié)器、高速風(fēng)扇等部分組成，熱處理施工時(shí)的安裝示意圖見圖1。

圖1 熱處理加熱系統(tǒng)安裝示意圖

燃料是由兩臺(tái)LPG儲(chǔ)罐提供，經(jīng)霧化器霧化后送至球罐頂平臺(tái)上的氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)，與罐頂安裝的高速風(fēng)機(jī)提供的空氣混合后進(jìn)入高速火焰燃燒噴嘴。

高速火焰燃燒噴嘴由罐頂人孔插入球罐內(nèi)部，并且與人孔牢固固定。為了防止火焰直接與罐壁板接觸和盡可能加強(qiáng)罐內(nèi)熱空氣對(duì)流，采用加長(zhǎng)噴嘴的措施，噴嘴實(shí)際伸入罐內(nèi)長(zhǎng)度為2.5m。

燃燒后產(chǎn)生的廢氣由下極板上10英寸的出口處安裝排氣接管引向球罐外圍。

2.7 熱處理過程控制

熱處理過程需嚴(yán)密控制升降溫速度、恒溫溫度、任意熱電偶的溫度差等，以保證熱處理曲線滿足熱處理工藝要求。參數(shù)的控制是通過燃燒系統(tǒng)的操作主機(jī)來調(diào)節(jié)空氣與燃料氣的混合比、進(jìn)氣量，以及手動(dòng)調(diào)節(jié)廢氣的排出量來實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)而言之，即通過上述操作來調(diào)節(jié)輸入的熱量，以滿足熱處理工藝要求的溫度變化。燃燒器火焰燃燒效率取決于空氣和燃料氣的混合比。通過觀察火焰顏色來判斷燃燒效率值的高低，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操，當(dāng)空氣與燃料氣的混合比為30：1時(shí)火焰達(dá)到最佳燃燒狀態(tài)，此時(shí)燃燒效率值最高。加熱過程中，要一直監(jiān)控溫度變化，通過調(diào)節(jié)燃料混合氣的送入量和排氣口擋板開閉的大小來調(diào)節(jié)溫度的變化。

此外，熱處理過程中要根據(jù)表1中的相關(guān)數(shù)據(jù)，借助柱腳位移監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)柱腳的實(shí)際位移進(jìn)行測(cè)量。如發(fā)現(xiàn)柱腳位移不足，即發(fā)生了柱腳卡阻的現(xiàn)象，應(yīng)采取措施處理。

2.7.1 加熱階段

在加熱階段，熱量的輸入以最大輸入量為宜。但是為保證任意兩個(gè)熱電偶之間的溫差不大于80℃，應(yīng)通過調(diào)整排氣口的擋板來控制球殼上溫度的均勻性，盡量減小任意兩點(diǎn)間的溫差。

混合燃料氣：當(dāng)溫度在595℃以下時(shí)，燃料混合氣送入量保持要最大狀態(tài)，讓燃燒器保持最大功率。

廢氣排出量：當(dāng)溫度在200℃以下時(shí)，將排氣口處的調(diào)節(jié)擋板設(shè)置在半開狀態(tài)。當(dāng)溫度超過200℃時(shí)，將排氣口擋板完全打開，加強(qiáng)球罐內(nèi)空氣對(duì)流，以達(dá)到使內(nèi)部熱空氣強(qiáng)制向球罐底部聚集的效果。在此狀態(tài)下，排氣口帶走大部分熱量，整體升溫速度變緩慢，越靠近下極升溫速度會(huì)相對(duì)變快；相反，越靠近上級(jí)升溫速度會(huì)相對(duì)變慢，從而有效控制上、下極的溫差。

2.7.2 恒溫階段

在恒溫階段，熱輸入量要減小，以平衡空氣冷卻造成的熱損耗。

混合燃料氣：當(dāng)溫度接近595℃時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)調(diào)小燃料混合氣的送入量，減小熱量輸入，以進(jìn)入恒溫階段。在此階段，保證溫差在20℃以內(nèi)，同時(shí)每小時(shí)平均升溫速度控制在10℃以內(nèi)，防止在恒溫階段出現(xiàn)大幅溫度波動(dòng)導(dǎo)致熱處理失敗。

廢氣排出量：在恒溫階段，排氣口的擋板保持半開狀態(tài)，用于平衡熱輸入量，來調(diào)節(jié)溫差及整個(gè)恒溫階段的微量升溫。

2.7.3 降溫階段

混合燃料氣：關(guān)閉燃燒器，停止熱輸入。

廢氣排出量：完全關(guān)閉排氣口的擋板，防止熱量流失過快。

在此階段，根據(jù)熱處理工藝要求，在300℃以上時(shí)，降溫速度不超過60℃。如果外界氣溫較低，在300℃以上時(shí)，空氣冷卻會(huì)造成熱損耗過大，有可能造成降溫速度超過60℃。此時(shí)，應(yīng)將排氣口完全打開，點(diǎn)火并調(diào)節(jié)混合燃料氣的進(jìn)氣量，給球罐輸入少量熱量，使之降溫速度控制在60℃以上。直至溫度降至300℃時(shí)，關(guān)閉燃燒器，關(guān)閉排氣口，使之自然空冷。

3 結(jié)論

本次采用內(nèi)燃法，通過上部人孔安裝加長(zhǎng)噴嘴式燃燒器，對(duì)兩臺(tái)1280m3的球罐進(jìn)行了整體熱處理。此法與以往常見的熱處理施工最大的差別在于，從上部人孔安裝加熱器噴嘴進(jìn)行熱處理。在施工過程中，通過對(duì)熱損耗和柱腳位移量等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，在熱處理過程中嚴(yán)密監(jiān)控?zé)崽幚韰?shù)，及時(shí)調(diào)整加熱系統(tǒng)的參數(shù)和排氣口流量，最終獲得了滿足熱處理工藝要求的熱處理曲線，同時(shí)避免了常用熱處理工藝上下級(jí)溫差較大的弊端，對(duì)類似工程有一定的借鑒意義。