壓力容器現場焊后熱處理技術應用現狀及發展趨勢

王志剛， 羅永智， 秦作偉

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730314)

21世紀初以來，伴隨著世界經濟形勢快速變化、資源品質劣化和能源結構調整，壓力容器逐漸向高溫、深冷、復雜腐蝕、超大容積、超大壁厚等極端方向發展，傳統壓力容器設計制造與維護技術面臨嚴峻挑戰?；谌珘勖芷陲L險控制的設計制造與維護技術方法，中國已研制出千萬噸煉油、百萬噸乙烯、50萬噸/年醋酸大型煤化工等國家重大工程建設急需的多種國產首臺套重大裝備，使得我國重要壓力容器基本不再依賴進口，萬臺設備失效事故率逐年下降，達到發達國家先進水平，使我國壓力容器設計制造與維護技術實現了突飛猛進的發展。目前我國已成功設計制造出超大型壓力容器，中國一重大加氫鍛焊設備壁厚已達到500 mm、2000多噸；蘭石重裝已成功制造壁厚(288+6.5)mm，鍛焊單節筒節97噸加氫反應器。為了適應壓力容器大型化發展及技術進步的需要、大型設備現場制造的施工需要，設備的整體或局部熱處理得到長足發展。由于現場條件的限制，總體情況比制造廠要差很多。經多年來工程實踐和經驗積累，以及近年來一些高校在仿真模擬方面研究數據庫的指導下[1-2]，涌現出多采用積木式組合電加熱爐或燃油爐、局部大型卡式熱處理爐(一重，蘭石等)、履帶式紅外線電加熱帶、大功率局部中頻感應加熱等，解決了大型容器現場熱處理的難題。

1 國內外內燃法熱處理技術

對于大型壓力容器球罐、塔器等，由于受到運輸條件的限制，一般選擇分片到貨、現場組焊的加工制作方式。壓力容器現場焊后熱處理的方法主要為內燃法熱處理，即在工件腔體底部或其它部位設置高效燃油/氣噴嘴，通過油/氣/電加熱提供加熱熱量的熱處理方式。內燃法熱處理工藝由于受到容器外形尺寸大、現場條件復雜等因素制約，在熱處理過程中溫度均勻性不容易控制，導致熱處理后產品質量無法得到保證。對公稱直徑DN≤4000 mm、設備總長(高)小于30 m的壓力容器，通常有條件的企業采用爐內整體熱處理。雖然建爐投資大，但爐子使用頻率較高，同時具有操作維護簡單、控溫精度高等優點，因而成為大型壓力容器整體熱處理的首選方案。對于公稱直徑DN>4000 mm、設備總長(高)超過30 m的壓力容器，由于受到運輸的限制，通常選擇部分構件在現場組焊或總裝并進行焊后整體熱處理[3]。

1.1 國內公司

上海傅氏熱處理工程有限公司自行設計制造的PC-WK-YQ型溫控設備最大輸出功率20 000 kW，可以處理10 000 m3的球罐或大于1000 t的容器，參與了GB/T 30583—2014《承壓設備焊后熱處理規程》起草。揚州長鑫熱處理工程有限公司始建于1985年，在國內同行業中采用數字模擬技術對焊后熱處理工藝進行風險評估，大大提高了熱處理過程的可靠性，降低了生產成本，高質量高效率地完成了很多重大工程項目，多次受到同行業的高度贊揚，其中10 000、13 306 m3球罐熱處理項目，在仿真技術、實時升溫速率、保溫均勻性控制和熱處理工藝穩定性等方面均處于國內外先進水平[4-5]。沈陽三洋球罐有限公司完成首臺國內10 000 m3球罐整體熱處理業績。

1.2 國外公司

Cooperheat熱處理公司采用“HAUCK”噴嘴內部燃燒法，第一次完成了大型球罐焊后現場整體熱處理。1982年該公司為澳大利亞2臺氨罐(塔)φ42 m，高19 m，壁厚25.4 mm和12.7 mm，使用燃氣加熱，從罐底和罐頂同時吹入燃氣，第一次使用了計算機控制系統。Jemix熱處理公司總部在日本神戶。1992年實施了700 t的壓力容器整體退火，主要業務涉及焊接預熱、PWHT(焊后熱處理)的裝備制造和設計應用實施，陶瓷加熱器工業爐熱設備設計制作，高頻感應加熱制造等[6-7]。

1.3 最新技術發展

內燃法熱處理是在球罐安裝制作工程中得到逐步成熟應用和技術完善的。內燃法熱處理是建造球罐的重要工藝，從20世紀90年代國內對7000 m3球罐開始內燃法熱處理，隨著國內專業廠家、科研院所等對該項技術的深入研究，以及大型特制燒嘴制造技術的突破、溫控系統的智能化，于2016年沈陽三洋球罐有限公司成功實現了國內首臺最大10 000 m3球罐的內燃熱處理；揚州長鑫公司2019年3月完成了大連金鼎設計制造的馬來西亞項目13306 m3(直徑φ29 400 mm，壁厚40 mm，材質SA516-70重1141噸)球罐；2019年揚州鄭氏完成了沈陽三洋球罐公司20 000 m3球罐，為目前國內最大。2016年、2020年上海傅氏公司分別對普光油田吸收塔進行整體立式內燃熱處理(高度與直徑比大于5∶1)，見圖1。內燃法熱處理對于所有承壓設備來講，都具有整體性、一次性與終結性等特點，在熱處理前應對各種風險作出必要的技術驗證，機械的模擬試驗或見證試驗對于大型球罐來講都不現實，10 000、20 000 m3球罐都第一次采用有限元分析計算和虛擬的數值模擬仿真技術進行驗證，結果顯示該項技術評估方法可靠，安全性高。

圖1 吸收塔內燃法熱處理示意圖(a)及吸收塔處理 實際曲線(b)Fig.1 Schematic diagram of internal combustion heat treatment in absorption tower(a) and actual curve of absorption tower treatment(b)

目前國內企業已完全掌握該技術，對燃燒器噴嘴進行結構優化，增加內部輔助工裝，并逐步在圓筒形臥/立式容器的內燃法熱處理中應用。該方法可以有效預測焊后熱處理后的各種風險的程度，是熱處理工藝的驗證有效驗證評估方法。國外熱處理燃料較多采用LPG，利用LPG瓶組和LPG供應車提供燃料且在上人孔采用誘風機排除煙霧，相關設備差異見表1。

王學成等[8]提出了壓力容器內燃法立式整體熱處理溫度場數值模型建模方法與流程，并發明專利(CN201711260587.X)，克服了經驗法引起的溫度的較大波動和熱處理時間的延長，定量反映了熱處理傳熱機理、燃燒器、壓力容器結構參數對熱處理溫度場的影響，為熱處理工藝的設計提供理論依據；呂宵宵[9]對10 000 m3球罐焊后整體熱處理保溫階段進行三維穩態熱分析，基于耦合傳熱和熱-結構耦合等理論，利

表1 國內外主要設備一覽表

用ANSYS有限元分析軟件分析球罐內部流場溫度場，殼體與腿柱溫度場及整體熱形變場，通過對不同保溫層厚度和不同入口速度下熱處理過程的模擬,分析不同工藝參數對球罐焊后整體熱處理的影響。郭超[10]研究了倒置燃燒器球罐內燃法整體熱處理施工技術，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行熱處理的方法在國外有應用，在國內還沒有報道應用。

2 現場局部焊后熱處理應用現狀

2.1 電阻加熱器加熱應用

2019年某老撾項目加氫反應器直徑φ2800 mm，壁厚(138+6.5) mm，主體材料12Cr2Mo1R(H)+堆焊，合攏環縫現場焊后熱處理(見圖2)時，采用在環向焊縫內外壁同時布置電加熱器(片)，外壁柔性加熱片，內壁為帶鐵殼加熱片，外保溫寬度大于1000 mm，保溫厚度100 mm；工件熱電偶均布置在焊縫上，圓周各均勻布置4支；保溫階段內外壁溫差5 ℃。熱處理后對焊縫內外壁進行HB硬度檢測，外壁硬度為163、180、170 HB，內壁硬度為198、186、172、184 HB。

圖2 某老撾項目加氫反應器環縫內壁加熱布置(a)及 保溫階段實時溫度(b)Fig.2 Heating arrangement of inner wall of hydrogenation reactor in a Laos project(a) and the real-time temperature in heat preservation stage(b)

圖3 快裝簡易退火爐Fig.3 Quick-installation simple annealing furnace

圖4 卡式燃油熱處理爐Fig.4 Cassette fueloil heat treatment furnace

2.2 卡式爐加熱應用

1967年日本室蘭制作所設計制造了簡易現場退火爐，應用在伊朗德黑蘭郊區現場組裝加氫裂化反應器(內徑φ2300 mm，壁厚200 mm，材料為Cr-Mo鋼)，見圖3。熱源是丙烷和丁烷混合氣，手動操作火嘴，應用于臥式組裝的容器環縫。2008年蘭石重裝設計制造了國內卡式局部燃油熱處理爐，首次成功完成當時國內最大直徑最大壁厚(直徑φ4000 mm，壁厚182 mm，材料為12Cr2Mo1R鋼)的加氫反應器環縫熱處理，見圖4。并于2021年完成了盤錦浩業項目加氫反應器熱處理，其直徑φ4000 mm，壁厚(288+6.5)mm，材料為12Cr2Mo1RV鋼。主要工藝要點是在環向焊接接頭內外壁交替均勻布置工件熱電偶各4支；在筒體與卡式爐之間縫隙及爐外筒體鋪設硅酸鋁耐火纖維氈，長度2000 mm，以減少溫度梯度對材料性能的影響，厚度大于100 mm；使用保溫氈采用掛堵方式在距離環縫內壁兩側2000 mm處封堵，以防止空氣對流。經現場實際檢測曲線顯示，升降溫期間內外壁溫差不超過60 ℃，保溫期間不超過15 ℃。熱處理后并在現場對內外壁焊縫進行HB布氏硬度檢測，均小于225 HB。

2.3 中頻感應加熱在容器上的應用

蘭石重裝青島公司、中國石油大學(華東)和青島海越機電科技有限公司共同開發的電磁感應加熱最終焊后熱處理技術，首次在盤錦浩業項目千噸級鍛焊式懸浮床加氫反應器上成功應用，該項目懸浮床反應器共3臺，材料12Cr2Mo1V鍛件、厚度超厚，單臺重量1830 t，主體分3段在廠內制造完成后，發運盤錦浩業現場進行總裝環縫的焊接及熱處理，6條總裝環縫最終焊后熱處理采用全新的電磁感應加熱技術(見圖5)。主要應用技術要點是：使用多臺200 kW 電源控制整個加熱過程，外壁環縫兩側保溫氈覆蓋寬度3600 mm，感應電纜纏繞寬度1200 mm，內部4000 mm范圍覆蓋保溫氈，施工環境-20 ℃；內外壁布置熱電偶，升降溫及保溫階段內外壁溫差10 ℃以內。與傳統電阻加熱器加熱方法相比，僅動能成本降低一半以上。

圖5 大厚壁環縫中頻電磁感應加熱技術Fig.5 Medium frequency electromagnetic induction heating technology for large thick-wall circumferential seam

張化機(蘇州)重裝有限公司承制的山東睿澤化工260萬噸/年深度脫芳烴裝置——加氫精制反應器，直徑φ3900 mm，壁厚(192+7.5)mm，材料12Cr2Mo1V鍛件，使用2臺160 kW中頻感應加熱電源，外壁加熱電纜纏繞寬度1200 mm，保溫寬度7000 mm；內部使用LCD電阻加熱片并保溫；內外壁布置熱電偶；熱處理后曲線顯示在保溫階段內外壁溫度7 ℃以內(見圖6)。

圖6 中頻電磁感應加熱內部電阻加熱及保溫Fig.6 Intermediate frequency electromagnetic induction heating internal resistance heating and heat preservation

圖7 粉煤給料罐裝爐現場熱處理爐Fig.7 On-site heat treatment furnace of pulverized coal feed retort furnace

3 現場積木組合式加熱爐整體焊后熱處理

積木組合式加熱爐是與上述卡式爐接近的一種拼裝式熱處理加熱爐，如圖7所示。其可對預制成型的容器或構件,在制造場地現場搭建適合的積木組合式熱處理加熱爐內進行整體熱處理，與目前工程上常用的電加熱片纏繞局部熱處理法，內部燃油整體熱處理法，外部燃油煙氣輸入整體熱處理法相比，有施工方便，應力消除效果好，保溫材料重復利用率高，消耗的人工工時少，能源消耗少，成本低而工效高等優點。某潔凈煤氣化項目的3臺粉煤給料罐焊后熱處理施工。容器規格φ5500 mm×116 mm×17 429 mm，重量為339 t/臺。搭建爐膛規格22 000 mm(L)×8200 mm(W)×8600 mm(H)。

4 容器現場焊后熱處理發展方向及其趨勢

近年壓力容器大型化在中國煤化工行業的推動下得到充分發展，用戶的現場熱處理技術顯得越來越重要，傳統的電阻加熱器/片/繩明顯達不到要求。為了達到與爐內焊后熱處理相近的效果、優良的焊接接頭力學性能、較小的焊接殘余應力和殘余變形、厚度方向上較小的溫度梯度、較小的現場能源限制，整體內燃法、組合式加熱爐、拼裝爐等得到了發展和優化。但是特別在現場局部加熱上對于大厚壁焊縫仍有不少局限，雖然已經進行了不少的探索，目前國內唯一的推薦性標準GB/T 30583—2014《承壓設備焊后熱處理規程》缺乏必要的熱工計算規范和理論支撐。還應從以下幾個方面加快技術開發和技術進步：

1)加快和整合爐內整體焊后熱處理或局部焊后熱處理、爐外整體焊后熱處理(含爐外整體分段焊后熱處理)方面熱工計算統一規范，建立相應的數據模型，指導工程應用；

2)利用計算機模擬仿真技術，加大對特殊材料、復雜結構構件容器焊后熱處理前的風險評估，做出指導性方案。比如根據仿真技術對燃燒器或加熱器位置、數量、絕熱材料布置的位置厚度、焊件熱變形預防及控制等提出預判[11-12]；

3)進行基礎性研究，對單側或雙側加熱時現場大厚壁環縫局部焊后熱處理加熱寬度、溫度梯度等提出理論支撐。目前推薦的WRC 452—2000《壓力容器上焊縫局部加熱的推薦措施》的框架基于美國焊接協會文件AWS D10.10/D10.10M:1999《管道中焊縫局部加熱的推薦操作規程》，推薦的只是單側加熱方法，對雙側同時加熱的機理研究較少。

4)行業標準T/CSTM 00546—2021《承壓設備局部焊后熱處理規程》提出了新的理論和方法，將主加熱帶作用在焊縫處，副加熱帶施加在距離焊縫一段距離，在焊縫內表面產生壓縮應力，實現宏觀壓縮應力調控。

5)大型化、綠色化、智能化、低碳低能耗，便攜可移動易組裝仍是未來壓力容器現場焊后熱處理的發展方向。需要設備制造廠商在這方面根據生產實際需求進行深入研發經濟型的裝備，有效推進壓力容器熱處理質量的有力提升，保障裝備的安全可靠長周期運行。

5 結語

近些年來，壓力容器現場熱處理開發出了很多新的工藝裝備和工藝方法，為裝備大型化發展和產業進步提供了可靠的技術支撐。隨之而來的對新裝備、新工藝的評審、驗證及其熱處理后效果評價機制還有待繼續完善；應從條件、管理與能力對熱處理企業劃分等級，建立特種設備熱處理行業標準，給予焊后熱處理企業評價認證，充分參與市場競爭。