1万立方球罐焊后热处理的工艺实验

1万立方球罐焊后热处理的工艺实验

目录

4 焊后热处理（江都安大热处理工程公司和大学合作编写）1

4.1 焊后热处理工艺验证性试验1

4.1.1 球罐主要设计参数1

4.1.2 热处理方法及工艺规1

4.1.2.1 热处理方法1

4.1.2.2 热处理工艺规2

4.1.3 热工计算2

4.1.4 热处理现场工艺设计7

4.1.4.1 热处理工艺系统7

4.1.4.2 保温方法10

4.1.4.3 试板与球罐壁板同步热处理11

4.2 焊后热处理用燃烧装置及辅助装置（球罐温度均匀性与稳

定性控制）11

4.2.1 改造燃烧气流出口喷咀，保证燃气流螺旋式上升11

4.2.2 强制燃烧气流在球罐部的流动轨迹11

4.2.3 适时维持球罐部正压力12

4.3焊后热处理的技术保障措施13

4.4 需要提供的数值、图表和照片14

4.4.1 球罐焊后热处理总体照片14

4.4.2 焊后热处理燃烧器照片14

4.4.3 焊后热处理测温及控制照片14

4.4.4 现场参加1万立方球罐焊后热处理的团队照片15

6 10000m3球罐焊后热处理结果15

6.1 10000m3球罐焊后热处理报告15

6.2 焊后热处理巡检记录15

1万立方球罐焊后热处理的工艺实验

4焊后热处理（江都安大热处理工程公司和大学合作编写）4.1 焊后热处理工艺验证性试验

10000m3球罐属Ⅲ类压力容器。根据设计要求和GB50094-2010，名义厚度大于30mm(当焊前预热100℃及以上时，名义厚度大于34mm)的Q345和Q370R钢制球形储罐必须经过焊后热处理。本次热处理工程采用燃油法进行热处理，为确保热处理工程质量按技术要求顺利进行，特制定如下热处理实施方案。

4.1.1球罐主要设计参数

表4-1 球罐主要设计参数

本次热处理按设计图纸、GB 50094-2010和ASME相关标准进行整体热处理。为了消除罐体组装与焊接时产生的残余应力，减缓介质对钢板的应力腐蚀，改善焊接接头和热影响区的组织和性能，达到降低硬度，提高塑性和韧性的目的，进一步释放焊缝中的有害气体，防止焊缝的氢脆和裂纹的产生，从而稳定容器的几何尺寸提高设备的使用寿命。

4.1.2 热处理方法及工艺规

4.1.2.1 热处理方法

采用燃油法进行热处理以球罐部为炉膛，选用0号轻柴油（随气温选用标号）为燃料，球罐外部用保温材料进行绝热保温，通过鼓风机送风和喷嘴将燃料油喷入

并雾化，由电子点火器点燃，随着燃油不断燃烧产生的高温气流在球罐壁对流传导和火焰热辐射作用，使罐体升温到热处理所需的温度。

4.1.2.2 热处理工艺规

按照ASME等有关技术标准和设计文件的规定，选择如下热处理工艺参数和工艺曲线：

恒温温度 600℃±25℃

恒温时间 90 min

升温速度 50-80℃/ｈ（≤300℃时可不予控制）降温速度 30-60℃/ｈ

恒温时的最大温差≤50℃

升温时的最大温差≤130℃

降温时的最大温差≤100℃

热处理工艺曲线：

温度

600℃

90min

400℃

时间

图4-1 热处理工艺曲线图

4.1.3 热工计算

热平衡计算基本公式：

本热平衡计算以下人孔到上人孔之间作为球罐的热平衡区域。在一个工作周期，热处理过程需总热量ΣQ由下式计算：

ΣQ=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6 4-1 式中，Q1为加热球罐金属的有效热量，kJ/h；

Q2为绝热层散失的热量，kJ/h；

Q3为绝热层蓄热损失，kJ/h；

Q4为燃料油化学未完全燃烧的热损失，kJ/h；

Q5为燃料油机械不完全燃烧的热损失，kJ/h；

Q6为由烟囱排出烟气时带走的热量，kJ/h 。 Q1按下式计算：

Q1=m 1(c i+1t i+1-c i t i )/T m 4-2

式中，m 1为球壳热处理质量，kg ；t i 、t i+1分别为球壳在热处理温度区间的下限、上限温度，℃；T m 为球壳从热处理温度区间下限温度加热到上限温度所需的时间，h ；c i 、c i+1分别为球壳在温度t i 和t i+1时的比热容，kJ/(kg ·℃)。

本项目中，下标m 取1~6；t i 分别取t 0=-5℃，t 1= 100℃，t 2= 200℃，t 3= 300℃，t 4=400℃，t 5=500℃，t 6=600℃。 Q2按下式计算：

εαππλπλ??+

??? ??-+??? ??-=

.63111211121t -t Q2233221m e

h a

n d d d d d 4-3

式中，t h 为球壳热处理区间上限温度，t e 为热处理现场环境温度，℃；d 1为球罐直径，d 2为球罐外径，d 3为绝热层外径，m ；λm 为球壳板的热导率，λn 为隔热材料的热导率，W/(m ·℃)；αa 为隔热层外表面对空气的对流传热系数，W/(m 2·℃)；考虑到除球壳外的法兰和腿柱的散热，设ε为形状系数，可取1.1。

本项目中，m 、n 、a 均取1~7；t h 分别取值t 1=100℃，t 2=200℃，t 3=300℃，t 4=400℃，t 5=500℃，t 6=600℃，t 7=625℃。 保温棉外层温度按下式计算：

t 外=t e +Q2/3.6πd 2 d 3αa ε 4-4

Q3按下式计算：

Q3=m 2c j (t j+1-t j )/T m 4-5

式中，m 2为隔热层质量，kg ；c j 为隔热层的平均比热容，kJ/(kg ·℃)；t j 、t j+1分别为隔热层在热处理区间初始平均温度和终了平均温度，℃。

本项目中，j 取0~7，t 0=t e ，t 1~t 7依次以100℃为分隔点。 Q4按下式计算：

Q4=0.0553Q h αB n 4-6

式中，Q h 为燃料油高位热值,通常可取Q h =44480 kJ/kg ；α为过剩空气系数，可取α=1.3；B n 为每个温度区间的燃油消耗量，kg/h 。 Q5按下式计算：

Q5=KB

n Q

L

4-7

式中，K为机械不完全燃烧损失率，取K=0.025；Q

L

为燃料油低温热值，可

取Q

L

=41860 kJ/kg。

Q6按下式计算：

Q6=β

b Q

L

B

n

4-8

式中，β

b

为烟气带走热量的百分率，%。本项目中，b、n取1~7。

温度区间及升温速度的规定根据热处理周期将整个温度区间按100℃为单

位进行划分，加热各温度区间所需要的时间T

m

=100/v（v为升温速度）。

热物理常数的确定：

Q345R的热物理常数见表4-2，密度ρ

1

=7850 kg/m3。硅酸铝棉毡的热物理

常数见表4-3，密度ρ

2=100 kg/m3。绝热层对空气的传热系数α

a

、绝热层的平

均温度t

j 及烟气带走热量的百分率β

b

见表4-4。

表4-2 Q345R的比热容及热导率

表4-3 硅酸铝棉毡的比定压热容及热导率

表4-4 各温度区间绝热层对空气的传热系数、平均温度及烟气带走热量的百分率

基础数据：

球罐直径d

1=26800 mm，外直径d

2

=26872 mm，厚度δ

1

=36 mm。绝热层选用

硅酸铝棉毡，厚度δ

2=70 mm，即绝热层外径d

3

=27012 mm。环境温度t

e

=-5℃，

热处理工艺规定为(600±25)℃，保温90 min。计算各部分质量，热处理球罐质

量约m

1=690000kg，绝热层质量约m

2

=17500kg。

计算各温度区间的各种消耗：

各温度区间的热损失见表4-5、各温度区间保温层外层温度见表4-6。

表4-5 各温度区间的热损失计算值