大型球罐整體熱處理

董懷勝　魏　淳

摘要：通過工程實(shí)例，簡要介紹大型球罐整體熱處理技術(shù)。

關(guān)鍵詞：球罐內(nèi)燃法整體熱處理

0引言

球罐是一種存儲氣體、液體或液化氣體的壓力容器，廣泛應(yīng)用于燃?xì)庑袠I(yè)。由于球罐在焊接過程中，焊縫部位存在較大的殘余應(yīng)力，因此，焊后熱處理是消除球罐焊接殘余應(yīng)力，改善焊接接頭及母材性能，保證球罐質(zhì)量的重要技術(shù)手段。目前國家提倡使用清潔能源，燃?xì)庾鳛槊裼萌剂系闹匾M成，正得到日益廣泛的應(yīng)用。建造大型球罐對減少工程土地占用、節(jié)約建設(shè)投資、降低維護(hù)成本等方面，有著積極而深遠(yuǎn)的影響。球罐作為城市中轉(zhuǎn)儲存天然氣常用的設(shè)備，在“西氣東輸”工程中已得到了具體體現(xiàn)。同時，大型球罐焊后熱處理的重要性也更加突出。

1DCS-HY微機(jī)控制整體熱處理設(shè)備性能

目前國內(nèi)球罐燃油熱處理普遍采用的是HAUCK型燃油噴嘴，在最大燃燒狀態(tài)下，受噴嘴結(jié)構(gòu)限制，通常只能對2000m³及以下容積球罐進(jìn)行有效處理，且操作系統(tǒng)較為復(fù)雜，不便于控制。DCS-HY微機(jī)控制大型球罐燃油焊后整體熱處理設(shè)備是根據(jù)大型球罐現(xiàn)場焊后整體熱處理高速噴嘴內(nèi)部燃燒法的特點(diǎn)和技術(shù)要求，選用德國EK9.1000L-R輕柴油燃燒器。該設(shè)備基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、把數(shù)據(jù)通訊、顯示裝置、過程控制和智能化數(shù)字儀表有機(jī)的結(jié)合起來，組成高性能控制系統(tǒng)，具有分散控制、分散風(fēng)險(xiǎn)、集中操作、集中管理的優(yōu)點(diǎn)。2003年在浙江中油華電能源有限公司小門島中轉(zhuǎn)站，安裝了兩臺16MnR鋼制7000m³丁烷球罐。要求焊后進(jìn)行整體熱處理。為了提高球罐整體熱處理質(zhì)量，增強(qiáng)球罐使用性能和安全可靠性，降低費(fèi)用，根據(jù)我公司球罐的現(xiàn)場組焊經(jīng)驗(yàn)，采用了DCS-HY內(nèi)燃法對球罐進(jìn)行焊后整體熱處理。

2球罐的主要參數(shù)

7000m³丁烷球罐的球殼材質(zhì)16MnR(見表)，球殼厚度為34/35/36mm；球罐容積為7000m³；設(shè)計(jì)壓力0.97MPa；容器類別為三類壓力容器。

3熱處理工藝參數(shù)及加熱方法

加熱時，溫度在300℃及以下可不與控制。進(jìn)行熱處理時，采用DCS-HY內(nèi)部燃燒法加熱。施工時，將高速噴嘴安裝在球罐的下人孔，以球罐本身當(dāng)燃燒室；上人孔安裝一個翻版排煙筒排除煙氣；球罐外表面包裹無緘超細(xì)玻璃棉防止熱量散失。在球罐內(nèi)部距下人孔4米處懸掛直徑為6.5m導(dǎo)流傘，促進(jìn)球罐內(nèi)部形成良性對流，使球殼各部分相對均勻加熱，并通過控制系統(tǒng)完成整個熱處理過程。球罐的冷卻是通過自然降溫和風(fēng)機(jī)的手動操作來達(dá)到降溫目的。

4熱處理工藝系統(tǒng)

本系統(tǒng)的控制對象為球罐外表面溫度。硬件系統(tǒng)由控制室中的溫度控制柜、燒嘴控制箱、球罐現(xiàn)場的傳感器和輕柴油燃燒器(EK9.1000L-R)等組成。網(wǎng)絡(luò)通訊按照RS-422和RS-485標(biāo)準(zhǔn)，使用的規(guī)定符合ANSI X3.2標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)通訊媒介采用雙絞線和屏蔽線，傳輸速度9600bit/s，傳輸最大距離1.2KM。

4.1系統(tǒng)硬件配置及功能①上位機(jī)：對整個運(yùn)行過程進(jìn)行集中監(jiān)視，控制和管理。與下位儀表通訊，讀寫數(shù)據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。②下位機(jī)：上部6臺SWP-D809巡檢儀與上位機(jī)有數(shù)字通訊接口，實(shí)現(xiàn)對球罐全部測溫點(diǎn)的巡檢。兩側(cè)是ER188(24點(diǎn)打點(diǎn))記錄儀，用于球罐罐壁溫度的記錄。

4.2現(xiàn)場傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)①溫度傳感器：熱電偶數(shù)量和分布根據(jù)球罐大小和工藝要求進(jìn)行布置。另外還設(shè)試板熱電偶3個，煙道熱電偶1個和和燒嘴控制點(diǎn)12個。②執(zhí)行機(jī)構(gòu)：德國歐科EK9.1000L-R輕柴油燃燒器。輸出功率2490-11409KW，耗油量210-962Kg/hr。

4.3本系統(tǒng)的控制對象為球罐外表面溫度。硬件系統(tǒng)由控制室中的溫度控制柜、燒嘴控制箱、球罐現(xiàn)場的傳感器和輕柴油燃燒器(EK9.1000L-R)等組成。溫度監(jiān)控系統(tǒng)由熱電偶，補(bǔ)償導(dǎo)線，巡檢儀和微機(jī)集散控制系統(tǒng)對溫度進(jìn)行智能化測量，監(jiān)控。①測溫點(diǎn)布置：按照技術(shù)要求測溫點(diǎn)應(yīng)均勻布置在球殼表面，相臨測溫點(diǎn)的間距不宜大于4.5米。距上下人孔與球殼板環(huán)焊縫邊緣200mm范圍內(nèi)須設(shè)測溫點(diǎn)各1點(diǎn)；產(chǎn)品試板上應(yīng)設(shè)測溫點(diǎn)。煙道設(shè)測溫點(diǎn)1個。②熱電偶安裝：熱電偶安裝采用儲能式熱電偶點(diǎn)焊機(jī)，按照測溫點(diǎn)布置要求將熱電偶牢固的焊在球殼外側(cè)，在點(diǎn)焊前，應(yīng)對各個測溫點(diǎn)處進(jìn)行打磨處理見金屬光澤，這樣才能使熱電偶與球殼接觸更加牢固。煙道和試板應(yīng)單獨(dú)設(shè)熱電偶。補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)妥善固定，以放燒毀。各熱電偶，補(bǔ)償導(dǎo)線均采用K型。③溫度監(jiān)測：溫度監(jiān)測配置兩套系統(tǒng)，一套是ER188-G13CA-N*B型長圖自動平衡記錄儀，共可記錄120個測溫點(diǎn)。另一套是微機(jī)和巡檢儀集散型溫度監(jiān)控系統(tǒng)，1秒鐘掃描一個測溫點(diǎn)巡回檢測各測溫點(diǎn)的溫度，并與設(shè)置的熱處理工藝曲線進(jìn)行實(shí)時對照，從而向燃燒器給出具體燃油控制量，同時按工藝要求打印各測溫點(diǎn)的溫度巡檢表。④熱處理前的準(zhǔn)備工作：熱處理前將球罐支柱拉桿及地腳螺栓全部松開，以保證熱處理過程中的位移，在每一個柱腿處安裝千斤頂一臺，并對每一個柱腿處設(shè)置垂直標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)(徑向環(huán)向)柱腿移動前在基礎(chǔ)板上做出移動量刻度進(jìn)行移動。⑤煙道系統(tǒng)：煙囪安裝于球罐上人孔上，高2m，由500mm*4mm*1000mm鋼管兩節(jié)組成，并安裝旋轉(zhuǎn)閥控制煙氣流量，下部設(shè)一測溫點(diǎn)，測量煙氣溫度，用來判斷罐內(nèi)的燃燒情況。

4.4保溫方法球罐保溫采用超細(xì)玻璃纖維棉，總厚度100mm。保溫棉采用鋼帶和保溫釘固定，首先按球罐大小均勻分布鋼帶，按間距600mm橫向分布。保溫棉規(guī)格800mm*6000mm大小，應(yīng)防止下半球安裝的保溫棉下榻脫落，安裝保溫棉時要用22#鐵絲在保溫釘上交叉繞緊。球罐上下接管均應(yīng)扣上盲板進(jìn)行保溫，從柱腿與球殼板連接焊縫的下端算起向下1m長度范圍內(nèi)的支柱需保溫。在運(yùn)行期間應(yīng)安排專人值班進(jìn)行保溫巡檢，發(fā)現(xiàn)保溫漏洞能及時加以補(bǔ)救。

5熱處理操作程序

5.1熱處理操作流程圖

5.2熱處理操作程序①熱處理前的準(zhǔn)備工作：a球罐球體，人孔，接管及預(yù)焊件等必須全部焊接完畢，并經(jīng)外觀檢查和無損探傷檢查合格。b所有無損探傷檢查工作必須完成，報(bào)告齊全，報(bào)監(jiān)檢部門審查合格。c球罐內(nèi)外表面質(zhì)量和幾何尺寸應(yīng)檢查合格，記錄齊全。d產(chǎn)品焊接試板檢驗(yàn)合格，并經(jīng)監(jiān)檢人員確認(rèn)，試板應(yīng)在球殼高溫區(qū)固定可靠。e所有原始資料齊全，并經(jīng)質(zhì)保體系責(zé)任人員簽字認(rèn)可，經(jīng)監(jiān)檢單位和甲方確認(rèn)。f熱處理設(shè)備必須全部檢查安裝好，各系統(tǒng)應(yīng)調(diào)試完畢。g供電系統(tǒng)經(jīng)全面檢查符合要求，并和有關(guān)部門聯(lián)系，確保熱處理期間不斷電。h隨時掌握氣象資料，熱處理時應(yīng)避開大風(fēng)與下雨天氣。i各崗位人員應(yīng)齊全到位，并經(jīng)培訓(xùn)上崗，分工協(xié)作。j施工技術(shù)方案應(yīng)向現(xiàn)場技術(shù)負(fù)責(zé)人進(jìn)行技術(shù)交底。

5.3熱處理方法①安裝準(zhǔn)備：將燃燒器安裝于球罐下人孔，罐內(nèi)安裝導(dǎo)流傘，上人孔安裝煙囪(全位置開)；a按工藝要求布置焊接試板及加熱元件；b按工藝要求布置測溫?zé)犭娕?，保證熱電偶接線編號正確并接觸良好(點(diǎn)焊)；c球罐外包好保溫棉；d將熱電偶和試板的加元件接線至集裝箱控制系統(tǒng)溫控柜后部，檢查并保證全部輸入端子編號正確并接觸良好，不用的熱電偶端子短路；e將燃燒器配套的風(fēng)機(jī)馬達(dá)，油泵馬達(dá)和控制電纜接至集裝箱控制系統(tǒng)溫控柜后部，檢查并保證全部輸入端子編號正確并接觸良好；f安裝集裝箱總電源；j安裝燃燒器郵路系統(tǒng)，檢查并保證油泵與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動方向正確。②點(diǎn)火程序：進(jìn)入系統(tǒng)工藝參數(shù)表，設(shè)定工藝參數(shù)，設(shè)定燒嘴控溫儀為手狀態(tài)，調(diào)整輸出OP值為對應(yīng)燃燒器小火開度。a進(jìn)入溫度控制表格，輸入與試板對應(yīng)的巡檢點(diǎn)序號；b進(jìn)入溫度巡檢表；c打開長圖記錄儀的電源開關(guān)和記錄開關(guān)；d風(fēng)機(jī)手/自動開關(guān)置自動，將程序啟/停開關(guān)置于啟動，即可；e電火完畢，應(yīng)到現(xiàn)場觀察燒嘴火焰是否穩(wěn)定，否則進(jìn)行調(diào)整。③加熱過程控制：對球罐加熱設(shè)備提供兩種操作方法即：自動和手動。對大型球罐熱處理升溫時溫差的控制起到了不可忽視的作用。a微機(jī)自動控制：將控溫柜上熱電偶選擇開關(guān)KN置于自動，由微機(jī)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算自動選擇控溫?zé)犭娕?，根?jù)設(shè)定的控溫曲線要求，燃燒器自動調(diào)節(jié)火焰大小。b手動控制：將控溫柜上熱電偶選擇開關(guān)KN置于手動，調(diào)節(jié)OP輸出，使燃燒器比例調(diào)節(jié)閥開度變化來調(diào)節(jié)燃燒器，由人工選擇安裝在控制臺下方柜內(nèi)的小開關(guān)1-12來選擇閉環(huán)控溫?zé)犭娕肌?/p>

6熱處理實(shí)際參數(shù)記錄及檢驗(yàn)測定結(jié)果(見表1)

該球罐共布置89個測溫點(diǎn)，每點(diǎn)熱電偶通過K型補(bǔ)償導(dǎo)線與溫度傳感器端子相連，數(shù)據(jù)采集后送至微機(jī)，運(yùn)行當(dāng)中微機(jī)，長途記錄儀和巡檢表實(shí)時對各測溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、分析和處理。并根據(jù)實(shí)際情況的記錄，繪制溫度曲線。在熱處理過程中導(dǎo)流傘對溫差的控制起到了很大的作用。使球罐內(nèi)形成了良好的對流，熱量燃燒的更充分，球殼的溫度更加均勻。如不用導(dǎo)流傘(如圖所示)，它們對比就一目了然了。

7結(jié)語

采用DCS-HY大型球罐焊后整體熱處理設(shè)備對7000m³球罐順利地進(jìn)行了焊后整體熱處理，其各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)完全達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝要求。與同類熱處理設(shè)備相比，簡便易行、節(jié)省燃油、時間短。尤其是這套設(shè)備的高速噴嘴(德國歐科EK9.1000L-R輕柴油燃燒器)熱效率高、燃燒充分、節(jié)省能源。兩臺7000m³，壁厚36mm的球罐焊后整體熱處理，共耗0#柴油89桶，平均每臺球罐僅耗油44.5桶0#柴油。因此：①通過球罐熱處理實(shí)例(天津6250m³，δ=44mm；江陰4臺5000m³，δ=36mm；溫州兩臺7000m³，δ=36mm等)，可以看到采用DCS-HY大型球罐焊后整體熱處理設(shè)備，方法是可行的，工藝設(shè)計(jì)是合理的。②根據(jù)所測數(shù)據(jù)完全達(dá)到了GB50094—98《球形儲罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》和《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的熱處理工藝要求。③經(jīng)實(shí)踐，高速噴嘴燃燒器(德國歐科EK9.1000L-R輕柴油燃燒器)運(yùn)行、控制可靠，燃燒充分、穩(wěn)定，安全性能好。因此，這套裝置標(biāo)準(zhǔn)化程度高、系統(tǒng)可靠性高、控制精度高、擴(kuò)展靈活、使用方便。④球罐中制作和安裝倒流傘，使罐內(nèi)熱流形成充分的對流傳導(dǎo)，球殼溫度更加均勻，溫差更加減小。⑤熱處理費(fèi)用低，僅是同類裝置熱處理費(fèi)用的三分之一。