加氢反应器主副加热局部热处理_潘晓栋.pdf

第 39 卷第 11 期压力容器2022 年 11 月doi:10 3969/j issn 1001 4837 2022 11 011制 造 与 安 装加氢反应器主副加热局部热处理潘晓栋1，杨刚2，谷文斌2，蒋文春2，王金光3，杨靖1，王迎君1(1 二重(镇江)重型装备有限责任公司，江苏镇江212000;2 中国石油大学(华东)新能源学院，山东青岛266580;3 中国石化工程建设有限公司，北京100101)摘要:采用主副加热技术，以卡式炉加热方式对加氢反应器合拢焊缝进行局部热处理研究。该技术通过主加热带改善焊缝性能，降低内外壁的部分残余应力，并通过施加副加热带进一步降低焊缝内表面残余应力。同时，利用压痕应变测试和有限元数值模拟方法，研究了主副加热前后加氢反应器内壁堆焊层的应力变化情况。结果表明，采用主副加热技术能够有效降低内壁堆焊层残余应力，轴向应力降低约30%，环向应力降低约50%，该技术可在大型压力容器制造中推广应用。关键词:加氢反应器;卡式炉;主副加热热处理;残余应力中图分类号:TH49;TG156文献标志码:APrimary and secondary local post-welding heat treatment of hydrogenation reactorPAN Xiaodong1，YANG Gang2，GU Wenbin2，JIANG Wenchun2，WANG Jinguang3，YANG Jing1，WANG Yingjun1(1 Er Zhong(Zhenjiang)Heavy Equipment Co，Ltd，Zhenjiang 212000，China;2 College of New Energy，China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266580，China;3 Sinopec Engineering Construction Co，Ltd，Beijing 100101，China)Abstract:The primary and secondary heating technology with card furnace was applied to study the local heat treatment of theclosed built-up welds in hydrogenation reactor This technology improves the quality of the welds by the primary heating strip so asto reduce the residual stresses on the inner and outer surfaces of the welds，and further reduce the residual stress on the inner surface byapplying the secondary heating strip Meanwhile，the stress change of the surfacing layer on the inner surface of the hydrogenationreactor before and after applying the primary and secondary heating was investigated by indentation test and finite element analysis Theresults show that the primary and secondary heating technology can effectively reduce the residual stress of the surfacing layer onthe inner wall The axial residual stress of the inner surface is reduced by 30%，while the residual stress in circumferential directionis reduced by 50%This technology can be widely applied in the manufacturing of large pressure vesselsKey words:hydrogenation reactor;card furnace;primary and secondary local post-welding heat treatment;residual stress收稿日期:2022 03 23修稿日期:2022 10 20基金项目:国家自然科学基金项目(U21B2076)0引言加氢反应器是石油炼制工业的关键设备，主要用于加氢裂化、加氢精制以及催化重整等工艺过程1。焊后热处理是加氢反应器的关键制造工艺，起到消除焊接残余应力，改善焊缝组织性能的作用，直接影响其制造质量和全寿命周期安全性2 4。随着我国千万吨炼油基地规模的发展，加氢反应器尺寸不断增大，直径突破 6 m，壁厚达352 mm，受设备尺寸、环境条件、在役补焊等限制，无法开展整体热处理，只能采用局部热处理。目前，加氢反应器合拢焊缝的局部热处理主87潘晓栋，等:加氢反应器主副加热局部热处理要采用卡式炉加热的方式。郑红果等5 6 测量了卡式炉热处理后加氢反应器环向焊接接头硬度，结果表明，接头处硬度有所下降，能满足硬度值要求，但未考虑内壁残余应力的消除效果。王泽军等7 通过对管道局部热处理应力分布的研究，发现外壁应力随加热带宽度增加缓慢下降，但加热带宽度增加对内壁应力释放作用不大。陆皓等8 研究了加氢反应器在不同局部热处理工艺条件下的应力分布，发现热处理后内壁焊接残余应力无法得到有效消除。NIE 等9 提出采用第二加热带能有效降低球形和圆柱形容器接管焊缝在局部热处理过程中的有害温度梯度，降低产生的有害应力。JIN 等10 研究发现，传统局部热处理方法在焊缝处施加单加热带，在冷却过程中出现收腰变形，内表面会因此产生新的二次拉应力，从而提出主副加热的热处理新方法。蒋文春等11 通过大量计算、测试和工程应用，并联合设计制造单位，制定了 T/CSTM 005462021承压设备局部焊后热处理规程。本文针对加氢反应器进行主副加热局部热处理，通过试验和模拟分析焊态、单加热热处理、主副加热热处理的残余应力分布，研究主副加热热处理对加氢反应器内壁应力消除的影响，证明主副加热局部热处理的有效性。1主副加热局部热处理方法主副加热局部热处理方法是在传统单一主加热带的基础上，在距焊缝中心一定距离位置施加副加热带的热处理方法。主加热起到调控焊缝组织性能、降低部分残余应力的作用，主加热的关键工艺参数包括升降温速度、保温温度和时间、主加热带宽度(WPHB)等;副加热可以协调主加热造成的变形，产生一个轴向压应力区，使内壁拉应力降低甚至转变为压应力，有效地调控残余应力，降低应力腐蚀开裂风险，副加热的主要工艺参数包括主副加热带间距(WDCB)、副加热带最高温度(TA)、副加热带宽度(WAHB)，如图 1 所示。主副加热工艺参考团体标准 T/CSTM 005462021承压设备局部焊后热处理规程 执行。图 1主副加热带布置示意Fig 1Setup diagram of primary and secondaryheating strips2试验研究2 1试验对象的制备研究对象为某加氢反应器筒节，材料为12Cr2Mo1V，内径 5 800 mm，厚度 310 mm。由于加氢反应器尺寸较大，内部含有大量腐蚀介质，为提高耐腐蚀能力，需对内壁进行不锈钢堆焊，堆焊层坡口如图 2 所示。过渡层选用 309L，耐蚀层选用 316L，焊接工艺参数如表 1 所示。图 2堆焊层坡口示意Fig 2Schematic diagram of welding groove ofsurfacing layer表 1焊接工艺参数Tab 1Welding process parameters焊材牌号堆焊层焊接方法焊接电流/A焊接电压/V焊接速度/(cmmin1)电源极性309L过渡层电渣焊1 000 1 20024 2718 24DC+316L耐蚀层电渣焊1 450 1 55024 2720 26DC+2 2热处理加热过程卡式炉依靠天然气燃烧产生的高温烟气对工件进行加热。在加热过程中，燃料在密闭体内燃烧产生高温烟气，高温烟气通过热辐射、热对流和热传导把热量传递给被加热工件。通过控制炉膛的温度，实现工件按照热处理工艺的要求进行升温 保温 降温过程，达到改善组织性能、消除残余应力的作用。卡式炉由炉体、供油供风系统、燃烧点火系统和管线电气系统等组成5，见图 3。卡式炉有 8 个烧嘴，两边各 4 个，上下对称分布，97PESSUE VESSEL TECHNOLOGYVol.39，No.11，2022通过不断切换烧嘴的火焰大小，可以实现合理控制温度。卡式炉上部有 2 个烟囱，方便烟气的排出。炉膛内部设置 8 个测温热电偶，位于每个烧嘴对侧的内壁面处，筒体处设置 7 个控温热电偶。图 3卡式炉结构Fig 3Card furnace structure热处理开始时，先通风，然后通气，最后电子点火燃烧。操作人员需每隔 0 5 h 记录一次控温热电偶温度，通过控制柜监测测温热电偶的数据，利用 PID 反馈系统不断调节，保证温度的均匀性。整个保温期间，做好温度的控制，加热中心区(即焊接接头中心线)内任何一支热电偶的读数不应超过保温温度范围。2 3卡式炉主副加热热处理试验主副加热局部热处理工艺曲线如图 4 所示。图 4主副加热局部热处理工艺曲线Fig 4Curve of local heat treatment process for primaryand secondary heating主加热带宽度 WPHB=2 800 mm，400 以上升温速度不超过55/h，将主加热带升温至705，保温 5 h，用热电偶记录热处理过程内外壁温度分布情况，确保温差控制在14 以内。保温结束后，降温速度不超过 50 /h，当温度低于 400 时，出炉自然冷却，主加热局部热处理现场见图 5(a)。当主加热带温度降至室温时，再进行副加热带升降温过程。副加热带最高温度 TA=300、保温时间 2 h，副加热带宽度 WAHB=2 800 mm，主副加热带间距 WDCB=1 600 mm。副加热局部热处理现场如图 5(b)所示，需要使用 2 台卡式炉分布于焊缝两侧同时进行局部热处理。(a)主加热(b)副加热图 5卡式炉合拢焊缝主副加热局部热处理现场Fig 5Local heat treatment site of primary and secondaryheating closure weld of cassette furnace2 4残余应力测试本文依据测试标准 GB/T 241792009金属材料 残余应力测定 压痕应变法12，采用压痕应变法测试筒体内表面热处理前后的残余应力分布。压痕法是一种易操作的表面无损测试方法13 14，其测试装置如图 6(a)所示。该方法将电阻应变片作为测量应变的敏感元件，利用球形压头在应变栅轴线中心施加冲击载荷制造压痕，并用应变仪记录压痕区外弹性区应变增量的变化15。利用预先标定的弹性应变 e与应变增量 之间的关系得到残余应变，残余应力可由胡克定理即公式(1)(2)计算得到16:x=E1 2(x+y)(1)y=E1 2(y+x)(2)式中，x为径向残余应力，MPa;y为环向残余应力，MPa;E 为弹性模量;为泊松比;x，y为残余弹性应变分量。压痕法测试路径如图 6(b)所示。为保证测量结果准确性，测试过程严格按照 GB/T 241792009 中压痕应变法步骤进行，粘贴完应变片并等08