七冶压力容器制造有限责任公司 贵州贵阳 550014
摘要：围绕大型压力容器现场制造焊后整体热处理的各种设计方案，从技术、经济等方面进行分析对比，提出对现场制造的大型压力容器采用框架式内部电加热法整体热处理，有效地制定了大型压力容器现场制造焊后整体热处理这一较复杂的施工工艺，在矿浆自蒸发器等设备的热处理施工实际应用中，取得了良好的工艺效果；并提出将框架式内部电加热法整体热处理作为今后技术发展的方向。
关键词：现场；电加热器；整体热处理；碱脆裂纹
1.前言
压力容器的焊后热处理，作为一项保证其制造质量的关键工艺，有着相当重要的地位。它不仅可以消除或降低横向和纵向残余应力、改善焊接热影响区和焊缝金属的显微组织，还可以减少焊接接头延迟裂纹和断裂的发生、延长设备的使用寿命。一般地，结构不太大的压力容器可采用炉内整体热处理。在当今生产率高速发展年代，生产规模向大型或超大型发展；特别是石油、化工、铝行业优为突出。石油、化工、铝等行业的塔类或容器结构设计随之大型化，一些超大直径和（或）超长的压力容器，如矿浆自蒸发器（主材Q345R，规格φ4800～6000×30～16）等，由于受运输条件和热处理炉尺寸的限制，制造厂家分段运到施工现场进行组装或直接在现场进行制造。根据国家有关行业标准和图纸设计要求，焊后要求对设备进行整体热处理消除应力的规定，只能在进行现场整体热处理。在工程实践中创造了多种热处理方法，本文通过一些工程实例，并且经过技术、经济等方面进行分析对比，简述大型压力容器现场制造使用内部框架式电加热整体热处理的方法，供业内人士借鉴。
2.概况
2.1.工程简介及技术参数
我公司承接某公司氧化铝项目设备矿浆自蒸发器的制作，共有14台，规格从Φ4800～Φ6000×30～16，主体材料都为Q345R钢板，介质为铝酸钠溶液，焊后的焊接残余应力，将对设备投产后的正常稳定运行造成不良的影响，诱发碱脆裂纹的产生及扩展，影响设备的使用寿命，因此根据国家有关行业标准和图纸设计要求，焊后要求对设备进行整体热处理消除应力，均为一类压力容器，并且由于设备直径较大，工程地点偏远，无法整体运输，须在现场制作。
2.2.工程特点
1）设备外形直径大。
2）设备壳体及封头均采用Q345R低合金压力容器用钢板。
3）焊接质量要求高，所有设备的A、B类焊缝均进行100%射线（AB级）探伤，结果符合JB/T4730-2005Ⅱ级合格；C、D类焊缝进行磁粉检测，结果符合JB/T4730-2005Ⅰ级合格。
4）焊后要求进行整体热处理以消除焊接应力。
5）制造完成后须进行水压试验并经监检合格。
3.热处理方法的选择
3.1.热处理方法
大型或超大型压力容器现场热处理的方法，归纳起来有如下几种：
（1）炉内整体热处理，或炉内分段热处理，在现场组焊环缝，并对其进行局部热处理；
（2）燃气内燃法热处理；
（3）高温烟气法热处理；
（4）内部框架式电加热法热处理；
3.2.成本分析
3.2.1.委托某公司采用炉内整体热处理的方式进行，对方负责炉窑的建设、燃料采购、退火操作，报价36000元/每台；须提供一可建炉窑的场地，退火炉使用完成后拆炉，基本属于一次性投入。
3.2.2.委托某公司以燃气内燃法热处理或者高温烟气法热处理的方式进行，退火设备对方负责，按1400元/吨，不包括电费。如每台平均按40吨计，1400*40=56000元/台，加上电费约66000元/台。
3.2.3.自购设备以电加热方式进行退火：
设备购置费合计234300元，按14台摊销234300÷14=16735.7元/台；
电费：退火一次按10小时考虑，耗电720×10=7200度，电费=7200×1元/度=7200元/台；
退火合计成本=7200+16735.7=23935.7元/台。
更何况本套退火装置今后可在其他工程中继续使用，实际摊销成本会更低。
3.3.方法的选择
经过我公司对技术、经济、操作等方面考虑最终采用内部框架式电加热法热处理，该方法工艺简单，经济实用，操作方便，具有独到的特点，特别是施工现场压力容器组焊后焊缝热处理更为优势。
4.现场热处理工艺设计
采用内部框架式电加热法热处理工艺，在工件筒体内布置框架式加热器，外部铺设保温绝热材料，加热器采用星形布置，根据热流上升的规律，热源中心位置要求偏下，利用热辐射和热对流达到均匀加热之目的。热处理过程由智能温控仪，实现多点控温，智能仪表显示各点温度，自动修正加热功率系数，自动记录温度曲线，确保控温精度。热处理现场工艺设计由供电系统、加热系统、测温和控温系统、保温层的铺设等部分组成；加热器在容器内避开容器内件的位置布置。
4.1.供电系统
经与业主沟通在制作容器厂房附近布置一台变压器，专为制作车间使用，从变压器至热处理施工现场设置DZ-600/330自动空气开关2只，变压器至2台ZWK-I-360KW智能型温控仪的一次导线（中间经空气开关）为2×185/1×95mm2铜芯电缆2根，总长约200米。
4.2.加热系统
热处理的热源数量和布置是本项目热处理的重要环节，设计的加热功率必须满足总能耗的需要才能达到加热至退火温度的目的。
4.2.1.整体热处理热源选用框架式电加热器，每片额定功率10kW，外形尺寸1000×400×90mm，共72片，最大输出功率720kW。
4.2.2.加热器的连接利用φ6.5的圆钢作为内接导线，圆钢外套上氧化铝高温瓷管与外接专用接长导线连接，再接到电脑温控仪。所有零线焊为一体，作为公共零线引出，各自形成独立电网，加热器均采用星形接法，每三片作为一个加热单元同步加热，加热器布置图如下：
4.3.测温和控温系统
热处理采用K型热电偶测温，热电偶的补偿采用铜补偿导线并通过JF-D-360kW智能型温控仪控温，每台智能型温控仪输出功率为360kW，温度控制范围0—1000℃，控制精度为±3℃，将设定的工艺参数输入仪表进行温度控制。控温过程均由仪表进行PID调节温控并显示，并由连续式记录仪自动记录工艺曲线。热电偶按工件圆周方向上、下、左、右布置。
4.4.保温层的铺设
保温材料应符合QJ/GN30—89标准，加热时外层温度不高于60℃，选用保温性能好，导热系数低，容重轻的硅酸铝纤维棉，为了减少热损失，保温层用100mm硅酸铝纤维棉，保温层之间接缝错开搭接严密，以防止热量散失。
4.5.整体热处理的防变形措施
为使工件加热、冷却时能自由伸缩，工件应吊装在专用鞍式托架上，减少工件的摩擦阻力，达到有效的控制轴向残余变形。
4.6.热处理所须设备见下表
5.3.见证资料
5.3.1.热处理结束后，取下记录纸，并做好相关记录，退火温度—时间自动记录曲线。
5.3.2热处理报告。
6.结语
大型压力容器的现场焊后整体热处理是一项较为复杂的施工工艺，工装设计要求经济适用，并满足工程实际需要。该施工工艺通过矿浆自蒸发器等设备的热处理施工，得到了验证。在本次现场制造矿浆自蒸发器整体热处理施工中取得了理想的与炉内热处理等同的工艺效果，热处理后经过检测均满足规范要求。通过上面的分析，对超大型压力容器热处理方案的取舍应综合考虑：
6.1.炉内整体热处理
建炉一次性投入最大，使用效率低，不宜采用。降低费用的措施是设计建造可拆卸式模块化炉体结构，以利于拆迁至异地，提高炉子的利用率。
6.2.框架式电加热器整体热处理的应用特点
框架式电加热器能简便、经济、及时地完成对大小型容器的整体退火热处理，现已推广应用到许多检修现场，它有经济实用、操作方便、便于现场检修的应用特点。
6.3.应用工程实例
我公司采用框架式电加热器整体热处理的方法已多次应用于石油、化工、氧化铝行业的设备上，交付业主使用至今良好。
参考文献
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[5]NB/T47015-2011，压力容器焊接规程[S].北京：新华出版社，2011.
论文作者:何禹科
论文发表刊物:《基层建设》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/18
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