大型油罐开孔壁板制作及焊后消除应力热处理

大型油罐开孔壁板制作及焊后消除应力热处理1前言近年来，我国建造了许多大型原油罐。

由于油罐开孔壁板制作时的变形控制和焊后消除应力热处理有一定难度，所以都是花费大量的外汇由国外制作，并经焊后消除应力热处理后运回国内安装。

为了发挥自己的技术专长、保证工期、节省费用和提高质量，中国石化工程建设公司将原油罐开孔壁板的制作和焊后消除应力热处理“国产化”。

在大连西太平洋石油化工有限公司新增原油罐(容积为5×104m3和10×104m3各两具)制作安装的同时，进行试验研究，取得了成功。

这个成果有很大的推广价值，今后可以不再依赖国外进口，由国内同行自行完成此项工作。

大连西太平洋石化公司新增原油罐区工程由中国石化工程建设公司总承包，洛阳石化设计院设计。

需要进行热处理的油罐开孔壁板共20块，其中5×104m3罐8块，10×104m3罐12块，采用日本进口SPV490Q高强钢制作。

为了开展研制工作，由中国石化工程建设公司组织科研、设计和施工单位成立了研制小组，编制、评审、修改技术方案，并委托北京燕化公司建筑安装工程公司实施。

研制小组成立后，调查了北京燕山石化公司机械厂为日本出口配套制作的开孔壁板热处理情况；调研了日本为上海高桥石化公司10×104m3油罐制作的开孔壁板热处理报告；进行了焊接工艺试验。

然后，编制了制作、焊接和热处理研制方案。

在此基础上，中国石化工程建设公司组织召开了专家论证会，对研制组提出的研制方案进行了认真、细致的研讨，并确定了方案的可行性。

通过对国内外情况的调研了解到，油罐开孔壁板制作及焊后热处理须解决3个技术关键问题：a.控制焊接变形；b.消除焊缝的残余应力；c.保证壁板在焊后和热处理后的几何尺寸，达到技术规范的要求。

2 控制壁板几何尺寸和焊接变形壁板所采用的钢材为日本标准JISG3115材质SPV490Q-SR，其化学成分见表1；机械性能见表2。

表1 钢板的化学成分%表2 钢板的力学性能由于焊接和热处理引起的变形在壁板开孔部位很难控制，因此《中低压化工设备施工及验收规范》HGJ209-83规定，应在开孔补强板边缘100mm外位置测量几何尺寸。

《钢制压力容器》GB150-98对容器壳体圆度要求：当被检断面位于开孔中心一倍开孔内径范围时，该断面最大内径与最小内径之差，应不大于该断面内径的1%与开孔内径的2%之和，且不大于25mm，而GBJ128-90对此未作规定。

基于研制工作从严的原则，此次要求在开孔接管和补强圈范围之内任意位置进行测量，应满足GBJ128-90的要求，即用2m长样板测量，最大间隙不超过4mm，显然比压力容器的要求还严。

油罐开孔壁板几何尺寸的控制，主要是控制壁板的曲率。

必须控制好卷板、开孔、接管组对的质量，采取有效的矫正焊接变形的预变形措施，并减少组装和焊接应力，使开孔壁板焊后的各项指标达到或优于施工验收规范的规定。

在制作时采用的预变形措施是，组焊时开孔部位的曲率应略大于焊后和热处理后的允许值，按壁板厚度和开孔尺寸而定，以便在焊后和热处理后因残余应力引起的回弹得到补偿。

为此，壁板滚弧前两端压头，经样板检查合格后再滚弧。

滚弧时用2m长样板检查曲率，其间隙不大于2mm为合格(规范规定不大于4mm)；用１m长直尺检查壁板平整度，其间隙不大于1mm为合格。

滚弧后，将壁板开孔并加工坡口，开孔中心位置偏差不得大于10mm。

组对接管时，先用吊车将壁板两端轻轻吊起，用2m长样板检查开孔边缘的曲率，使样板中部与壁板间留出适当间隙——板厚32.5mm 时为3mm，板厚22mm时为6mm(不允许样板两端留有间隙)。

此时，进行接管组对和焊接变形加固板的组对焊接，加固板焊接完毕后，再进行接管、补强圈的焊接。

3开孔壁板的焊接接管与开孔板壁板的焊接，应考虑保证焊接质量(全焊透工艺)和控制焊接变形，包括壁板与接管、壁板与补强圈等。

SPV490Q为低合金高强钢，其碳当量为0.45，可焊性稍差，有一定的裂纹倾向。

因此，在实施控制焊接变形措施时，应考虑防止裂纹产生的措施。

控制焊接变形需在两个阶段进行，壁板与接管焊接过程和热处理过程。

焊接过程的关键在于热输入量和焊接顺序。

减少热输入量(例如采用小规范的气体保护焊)可以减少焊接应力，从而减少壁板变形；合理的焊接顺序，可以利用焊接顺序调整焊接变形的大小和方向，从而控制焊接的总变形量和方向。

热处理过程应考虑在消除应力热处理后，残余应力对壁板变形的影响。

残余应力的大小，除了与热处理规范的实施工艺有关外，还受壁板在炉内放置方式(卧置或竖置)的影响，此时应考虑壁板自重和固定架受热变形对壁板变形的影响。

接管与开孔壁板的焊缝结构如图1所示。

图１焊缝结构其中，壁板与补强圈材料为SPV490Q，其余材料为16mnR，20号，Q235等。

为了减少焊接时的热输入量，采用二氧化碳气体保护焊，以便减少焊接变形。

焊接时选用mG-60(JIS)1.2焊丝，这种焊丝的化学成分见表3。

表3 熔敷金属的化学成分%mG-60(JIS)1.2焊丝的力学性能见表4。

表4 熔敷金属的力学性能焊接线能量的大小应控制适当，增大线能量对防止裂纹的产生有利，但容易产生变形；减少线能量即减少热输入，可减少变形。

由于SPV490Q钢材具有一定淬硬倾向，焊缝容易出现裂纹和焊趾裂纹以及未熔合、未焊透等缺陷。

经过焊接工艺评定后，得出的工艺参数见表5。

表5 焊接规范焊接顺序如图2所示。

图2 焊接顺序焊缝结构的焊接变形来源于焊接应力，它除了与焊接规范、接头型式、坡口角度、补强圈结构和焊接顺序有关以外，还与焊缝的截面大小和焊缝变形的方向有关。

接管与补强圈的角焊缝是在较大的拘束条件下焊接的封闭焊缝(见图2)，焊接焊缝③时，由于焊缝的环向收缩受到壁板的阻碍，在焊缝中产生很大的拉应力，应力随坡口截面的增大而增大，对整体结构来讲，将造成壁板向焊缝②方向拱起。

焊接焊缝①和②时，壁板向反方向塌陷。

焊缝①和②截面积总和为362.5mm2，焊缝③的横截面积为305mm2。

如果在焊接时采取同样的焊接工艺，焊缝①和②的拉应力就会大于焊缝③的拉应力，接管与壁板焊接后使壁板产生塌陷变形。

如果加大焊缝③的热输入，可以使变形达到平衡，但变形量很难控制，一旦热输入过量，壁板向接管方向拱起就更难矫形。

所以，考虑壁板的塌陷，在焊缝③处增加加固板措施来控制变形。

加固方法如图3所示。

图3 开孔加固方法此种加固方式增加了结构的刚性，减少了焊接变形，也会在焊后产生很大的焊接应力。

因此，应进行焊后消除应力热处理，待消除应力热处理后再将加固板割掉。

4消除焊缝应力热处理油罐壁板与开孔接管连接焊缝是否需要消除应力热处理，是根据设计选用的钢种和板厚的关联因素确定的。

按照《立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范》GBJ128-90的规定，板厚大于12mm，且屈服强度大于390mPa的油罐壁板上的人孔、搅拌机孔和进出油管孔等，在开孔接管、补强圈与相应壁板组装焊接后，需要进行焊后消除应力热处理。

其效果应该达到：消除组装、焊接应力，并保持壁板的几何尺寸达到设计要求。

壁板在炉内的放置方式，常规的做法是卧置，每次只能放一块。

由于在高温下，壁板的自重容易引起变形，壁板的几何尺寸很难保证，这样热处理的壁板，尤其在开孔和补强圈部位的尺寸误差，一般都达不到规范要求。

为了防止或减少因自重引起的变形，此次研制采用竖置方式，如图4所示。

图4 壁板在炉内的放置方式在第一次热处理前，先将壁板固定支架进行消应处理，然后再将壁板与支架组合固定进行热处理。

固定时，用楔子将壁板打紧，但松紧程度应适当，给壁板的热胀冷缩留有余地。

在消除焊缝应力热处理工艺的实施过程中，主要难点是保温时的温度控制和降温速度控制。

壁板温度的波动必须控制在580℃±10℃范围内，这用常规的燃料油、液化气加热炉手动控制温度的方法是很难实现的。

但是，采用电加热和电脑监控壁板温度技术，就可使保温控制难度大为简化。

大型油罐的安装工作都是由安装单位在野外作业，热处理设备和电力供应都受到极大的限制，如果在工厂内进行热处理，还要长途运输，势必增加大量费用。

所以，研制时考虑到施工现场的实际情况和我国的国情，采用较轻便的热处理炉和尽量利用靠近油罐安装现场的方法，热处理采用电加热方式。

热处理炉炉膛净空4m×4m，底部设移动式台车，便于工件装卸。

按每炉装２块壁板、580℃±10℃保温温度计算，热处理功率约需500kW，加热体用36个220V，14kW 的电加热块组成，另设4块备用加热块，作为加热块有损失时的补充。

加热块均匀布置在炉子轴向两侧各20个，每侧又分上下两层。

为了实测壁板温度，在壁板上开孔部位布置热电偶。

开孔数量多的布3个，数量少的布2个，还应视孔间距大小而定，未开孔部位也适当设置热电偶，以检测整块壁板的受热均匀性。

温度控制器根据热电偶传来的信息，在记录仪上打点记录作曲线，并由电脑存储。

热处理加热速度在300℃以下不控制，300℃以上不超过150℃/h。

580℃±10℃保温160min，降温速度不超过200℃/h，出炉温度不高于300℃。

5 实施效果5.1 壁板质量5.1.1 几何尺寸消除应力热处理后，将壁板竖置于平台上，检查开孔接管补强圈及各部分几何尺寸。

水平方向用2m长样板检查，20张开孔壁板共检查98处，样板间隙小于3mm的共62处，占总数的65％；样板间隙3～3.8mm的共34处，占总数的35%。

壁板垂直方向用1m直尺检查，间隙均不大于1mm，几何尺寸全部符合规范要求。

5.1.2 消除应力热处理效果检查热处理曲线图和实际操作，300℃以上升温速度均未超过150℃/h，一般为50～60℃/h。

保温时，工件各部分温度均未超过580℃±10℃。

保温时间160min，降温速度均不超过200℃/h，一般为70～100℃/h，出炉温度为300℃。

5.1.3 残余应力测定根据油罐残余应力的测试必须在无损条件下进行的特点，以及目前各种残余应力测试方法的可用性、精度，选择了较先进的冲击压痕法。

此方法曾用在上海炼油厂再生器、上海高桥石化公司原油罐、锦西及北京燕山石化公司油罐的残余应力测试中。

测试应变仪为华东电子仪器厂生产的YJ-26型，测量应变花为中原电测仪器厂生产的BE120-3BA型。

测试时，在人孔、进出油接管孔和搅拌机孔的接管与壁板焊缝布点检测。

共测108点，残余应力值(热处理前/热处理后)最大666mPa/227mPa，最小419mPa/237mPa。

从检测结果可知，4具原油罐开孔壁板原始焊接残余应力普遍较高，达到或接近材料的屈服强度。

经过焊后热处理，应力消除效果比较明显，数值也较为稳定，大部分已降低到材料屈服强度的50%以下，应力状态得到明显改善。