塔器現(xiàn)場立式組對環(huán)焊縫熱處理變形控制

王喜慶

(洛陽隆惠石化工程有限公司，河南洛陽 471012)

0 前言

洛陽某5萬t/a異丁烷優(yōu)化裝置是以液化氣為原料進行深加工的項目，二期擴建新增1臺解吸塔T1104和1臺脫戊烷塔T1105，設(shè)計要求整體熱處理。但塔體高度都超過了30 m，為了便于運輸，實際分上下兩段到貨，由于原裝置現(xiàn)場場地狹窄，采用高空立式組對安裝。

組對環(huán)焊縫采用電加熱帶進行消除應(yīng)力局部熱處理，熱處理溫度控制在600℃ ±20℃，環(huán)焊縫在承受上段塔體重量和風(fēng)載荷的狀態(tài)下進行熱處理，在熱處理溫度下Q245R發(fā)生高溫蠕變，材料中碳會有石墨化傾向(425度)，材料性能不穩(wěn)定。為保證塔熱處理安全，需對焊縫及熱影響區(qū)采取加固防變形措施，從而減小焊縫及熱影響區(qū)所受的應(yīng)力。

1 塔T1104和T1105設(shè)計參數(shù)

解吸塔 T1104，內(nèi)徑為 Φ1 100 mm，材質(zhì)為Q245R，高度30 050 mm。分上下兩段到貨，上段長10 150 mm，質(zhì)量13.30 t(包括附塔管線、平臺梯子)。脫戊烷塔T1105，內(nèi)徑為Φ1 000 mm，材質(zhì)為Q245R，高度34 000 mm。分上下兩段到貨，上段長18 100 mm，質(zhì)量11.08 t(包括附塔平臺梯子、管線)?；緟?shù)詳見表1。

表1 T1104和T1105塔基本參數(shù)

2 環(huán)焊縫熱處理加固措施

為控制熱處理時因塔現(xiàn)場組對焊縫及熱影響區(qū)高溫蠕變而產(chǎn)生的變形，及由此帶來的安全風(fēng)險。在焊道處安裝預(yù)設(shè)6根均布加固“Π”字形支撐(δ=12 mm Q245R鋼板拼焊)，如圖1。支撐鋼板高度:W=350 mm，支撐板厚度:δ=12 mm，支撐支腿沿焊縫環(huán)向布置，焊角高度不小于12 mm。

圖1 環(huán)焊縫熱處理加固措施示意圖

3 “Π”字形支撐安全驗算

以最重的T1104上段為例，分別進行“Π”字形支撐結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性校核，支撐連接角焊縫強度驗算。在計算時考慮現(xiàn)場組對焊道以上部分塔重心偏移及水平風(fēng)載荷，并假設(shè)上段塔重量和風(fēng)力的作用完全由“Π”字形支撐承擔(dān)。

3.1 “Π”字形支撐結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性校核

3.1.1 計算載荷確定T1104上段垂直載荷取設(shè)備最大操作重力:W1=G=13.3 × 9.8=130.34 kN

水平載荷取風(fēng)載荷P=1.2 fqDH×10-6

式中:f，風(fēng)壓變化系數(shù)，設(shè)備質(zhì)心高度≥20 m取f=1.25;q，10 m高處基本風(fēng)壓;風(fēng)速，取q=450 Pa;D，容器外徑，取D=1 132 mm;H，容器殼體總長，取H=30 050 mm。經(jīng)計算得:P=1.2 fqDH×10-6=22.97 kN，假設(shè)6個支撐件均勻受力，則每個支撐的水平反力R1=P/6=22.97 kN/6=3 827 N。

支撐件單個受力按設(shè)備重心和幾何中心線重合的極限狀態(tài)計算:

彎距拉伸側(cè)單根支撐垂直反力

式中:N支撐件個數(shù)，N=6;HS為支撐面到設(shè)備質(zhì)心高度HS=5 m;D1支撐的中心圓直徑。

其中:δ1=16mm，為塔壁厚度，DN為塔公稱1 100直徑，W=350 mm為支撐板寬度。彎距壓縮側(cè)單根支撐垂直反力

3.1.2 支撐所受剪切應(yīng)力驗算

支撐材料Q245R(20～100 C°，厚度3～16 mm)的:屈服強度:R=245 MPa，許用應(yīng)力:［σ］=148 MPa。

支撐所受剪切應(yīng)力τ:

其中:每個支撐截面積:A=12×325=3 900 mm2;單根支撐的許用剪切應(yīng)力［τ］=0.6［σ］;τ≤［τ］=0.6 ×［σ］=0.6 ×148 MPa=88.8 MPa，滿足安全使用要求。

3.1.3 支撐彎曲計算

設(shè)備外壁離支撐形心距離e=W/2=350/2=175 mm;支撐與設(shè)備連接焊縫長度h=(1 500-350)/2=575 mm;自由段最下端離支撐與設(shè)備連接焊縫中心距離長度:L=H2+h/2+50=350+575/2+50=687.5mm;單根支撐的最小抗彎截面模量:Wmin=bh2/6=10 ×3502/6=204 166 mm2。

支撐的彎曲應(yīng)力

支撐的彎曲應(yīng)力σb=77.5 MPa≤支撐的許用彎曲應(yīng)力［σb］=148 MPa(20～100C°，厚度3～16 mm)，滿足安全使用要求。

3.1.4 支撐的穩(wěn)定計算

單根周向水平截面慣性

單根徑向水平截面慣性

單根支撐的截面積:A=3 900 mm2

單根支撐的拉伸彈性模量:E=2.01×105MPa單根支撐材料的屈服強度:R=245 MPa，Imin取Ix、Iy最小值;

單根支撐截面最小回轉(zhuǎn)半徑:

設(shè)備有效細長比(柔度):

式中H2為單根支撐自由段長度，單根極限細長比(極限柔度):

由于λ＜λ1支撐在臨界狀態(tài)下許用應(yīng)力:

則［σcr］=1.2［1-0.4(68.1/134.8)2］×245/1.84×1=143.5 MPa

單根支撐所受壓應(yīng)力:

［σcr］≥σc設(shè)備熱處理時支撐穩(wěn)定，滿足使用要求。

3.1.5 支撐鋼結(jié)構(gòu)的綜合評價

支撐鋼結(jié)構(gòu)的綜合評價要求|σc/［σcr］|+| σb/［σb］| ≤1

| σc/［σcr］|+| σb/［σb］|= |19.33/145.5|+|77.5/148|=0.67≤1滿足要求。

3.2 支撐連接焊縫強度計算

3.2.1 支撐連接焊縫的彎曲應(yīng)力驗算

支撐材料Q245R(20～100 C°，厚度3～16 mm)的許用應(yīng)力:

［σ］=148 MPa，取焊縫系數(shù):Φ =0.49

支撐材料的抗彎、抗剪許用應(yīng)力:

取1.5［σ］，

Φ=1.5×148×0.49=108.78 MPa

每條裝配焊縫計算長度:

hf1=hf-10=575-10=565 mm，焊縫焊角高度tf1=12 mm

焊縫的抗彎截面模量:

支撐焊縫的彎曲應(yīng)力:

支撐連接焊縫的彎曲應(yīng)力驗算:

σf≤108.78 MPa，符合安全要求。

3.2.2 支撐焊縫的剪切應(yīng)力和當(dāng)量應(yīng)力驗算

支撐焊縫橫截面積:

支撐焊縫的剪切應(yīng)力:

支撐連接焊縫的剪切應(yīng)力驗算:

τ1≤108.78 MPa符合安全要求。

支撐焊縫的當(dāng)量應(yīng)力:

支撐連接焊縫當(dāng)量應(yīng)力驗算:σZ≤108.78 MPa符合安全要求。

4 結(jié)論

經(jīng)計算采用上述Π字形支撐熱處理加固法理論上可靠，兩臺塔采用了上述熱處理加固方法，熱影響區(qū)范圍內(nèi)塔壁板沒有產(chǎn)生變形，熱處理前后所測的筒體圓周度，垂直度等數(shù)據(jù)一致。對大型塔器現(xiàn)場立式組焊環(huán)縫處采取加固措施是工程上確保設(shè)備安全的熱處理方法。