ASME 規(guī)范制二氧化碳容器焊后熱處理工藝改進(jìn)

林春風(fēng)，謝 亮

（中國石油 遼陽石油化纖公司機(jī)械廠，遼寧 遼陽 111003）

中國石油遼陽石油化纖公司機(jī)械廠承攬國外120 臺二氧化碳容器制造任務(wù)。二氧化碳容器外形尺寸約為ф782×1481(單位mm), 主體材料SA-662 Gr.C （P-No.1 Gr. No. 組1,2,3），厚度20 mm。按照圖紙技術(shù)要求，此二氧化碳容器制造完畢后需要對其進(jìn)行焊后熱處理（消應(yīng)力退火）。因設(shè)備設(shè)計是按ASME 規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行的設(shè)計，故此，熱處理工藝也需按照ASME 中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行?？紤]到遼陽石油化纖公司機(jī)械廠熱處理設(shè)備的實際情況，結(jié)合我國對消除應(yīng)力熱處理的相關(guān)規(guī)定及經(jīng)驗，作者制定了適合本廠的熱處理工藝實施手段，熱處理后經(jīng)X 射線應(yīng)力分析儀（型號：MSF-3M/PSF-3M）對容器主要焊縫進(jìn)行殘余應(yīng)力測定，滿足了熱處理工藝的要求，提高了勞動效率。

1 原始工藝及實施

按ASME 2007 SECTION VIII-Division I 中UW-40(C) 中要求規(guī)定，當(dāng)一次裝爐對一件以上的受壓容器或受壓容器零件進(jìn)行焊后熱處理時，熱點偶應(yīng)置于裝爐的底部、中部和頂部的容器上或可能有溫度變化的其他區(qū)域內(nèi)，已使所得出的溫度指示為那些區(qū)域中所有容器或零件的真實溫度（僅測量爐內(nèi)氣體溫度被認(rèn)為不準(zhǔn)確）。也就是說，按ASME的規(guī)定，對容器進(jìn)行焊后熱處理時候，測溫電偶必須固定于容器上。

同時，在UCS-56（d）中規(guī)定:

（1）容器或部件放入爐中時，爐溫不應(yīng)超過800 ℉（425 ℃）。

（2）在800 ℉（425 ℃）以上時，升溫速度不應(yīng)超過400 ℉/h（222 ℃/h）除以殼體或封頭最大板厚（以英寸計）的比值，且不超過 400 ℉/h（222℃/h）。升溫過程中，容器受熱部分在任一15 英尺（4.6 m）長度段內(nèi)，溫度的變化不得大于 250 ℉（139 ℃）。

（3）用屬于P-No. 1 , Gr. No. 1,2,3 材料制造的容器或容器部件應(yīng)當(dāng)在下列表1 中規(guī)定的時間范圍內(nèi)保溫。

表1 碳鋼和低合金鋼焊后熱處理要求Table 1 Requirements of post welding heat treatment of carbon steel and low alloy steel

如果溫度低于常規(guī)保溫溫度，那么最低保溫時間必須要以表2 中給定的保溫時間為依據(jù)。

表2 碳鋼和低合金鋼焊后熱處理可選要求Table 2 Optional requirements of post welding heat treatment of carbon steel and low alloy steel

升溫及保溫過程中，應(yīng)控制爐中氣氛，以防止容器表面過分氧化。爐子應(yīng)設(shè)計為避免容器被直接加熱的形式在封閉爐內(nèi)800 °F（425 °C）以上溫度進(jìn)行冷卻時，冷卻速度不應(yīng)超過500 ℉/h（278 ℃/h時）除以殼體或封頭最大板厚（以英寸計）的比值，且不超過 500 ℉/h（278 ℃/h）。800 °F（425 °C）以下，容器可在靜止空氣中冷卻。

我廠現(xiàn)有最大容量熱處理退火爐RJT-450-11(帶強(qiáng)制風(fēng)循環(huán)系統(tǒng))爐內(nèi)可裝工件的最大空間為3 500×2 500×1 500(長×寬×高，單位mm)工藝實施如圖1 所示。

圖1 熱電偶及容器布置簡圖Fig. 1 Thermocouple layout diagram

因我廠現(xiàn)有熱處理爐的尺寸限制，每次最多能裝此二氧化碳容器5 臺。此臺車式爐配備4 件熱電偶，爐內(nèi)上端及周圍3 側(cè)各布置一件，爐內(nèi)頂部配有強(qiáng)制風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，如按ASME 中對熱電偶布置的要求實施熱處理的話則很難實施且勞動效率低。原因如下：熱處理爐配備的熱電偶為直形可動法蘭式,安置位置為爐內(nèi)上端及周圍3 側(cè)各布置一件，如按ASME 中的要求布置，熱電偶需固定在受熱容器上，這樣操作起來很困難，同時在熱處理完一爐在繼續(xù)熱處理第二爐的時候必須得等到爐內(nèi)溫度降到室溫人工才能繼續(xù)操作，浪費了能源,勞動效率低。

熱處理曲線如圖2 所示。

圖2 消除應(yīng)力熱處理曲線Fig. 2 Stress relief heat treatment curve

2 我廠制定的工藝實施方案

去應(yīng)力退火屬于第一類退火，是不以組織轉(zhuǎn)變?yōu)槟康牡耐嘶鸸に嚪椒?。它的工藝特點是通過控制加熱溫度和保溫時間以改變鋼的熱力學(xué)與動力學(xué)條件，使其靠濃度梯度、應(yīng)力梯度、界面能等自發(fā)地由冶金及冷熱加工過程中產(chǎn)生的不平衡狀態(tài)（如成分偏析、加工硬化、內(nèi)應(yīng)力等）過渡到平衡狀態(tài)。在整個工藝過程種，加熱與冷卻速度的變化對改變這種狀態(tài)不起主導(dǎo)作用。因此，控制加熱溫度及保溫時間的準(zhǔn)確性是去應(yīng)力退火的關(guān)鍵。

我廠擬采用利用現(xiàn)有設(shè)備熱處理能力，原始電偶位置不變化的熱處理方法對此批二氧化碳容器進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。為了保證工件熱處理時加熱溫度的準(zhǔn)確性能，采用空載試驗的方法對爐進(jìn)行熱處理爐有效加熱區(qū)的測定。有效加熱區(qū)也在國內(nèi)也叫有效工作區(qū)域，熱處理爐的有效加熱區(qū)僅與熱處理工藝有關(guān)，與爐子型式、結(jié)構(gòu)、熱源類型無關(guān)。

對熱處理爐有效加熱區(qū)檢測裝置如圖3 所示。

圖3 有效加熱區(qū)檢測裝置布置示意圖Fig. 3 Effective heating zone detection device layout schematic

測溫架采用材質(zhì)為 0Cr18Ni9 規(guī)格為ф19x2的不銹鋼管焊成，圖示1、2、3～10 點分別固定熱電偶，而后通過補(bǔ)償導(dǎo)線和轉(zhuǎn)換開關(guān)、檢測儀表相連。測溫架尺寸為1 800×2 400×1 450(長×寬×高，單位 mm)。對爐有效加熱區(qū)保溫精度按標(biāo)準(zhǔn)要求為±15 ℃、控溫精度為±8 ℃、記錄儀表指示精度不低于0.5%，測溫架的在爐中的位置做好相應(yīng)的標(biāo)記。

檢測用熱電偶規(guī)格如表3 所示。

轉(zhuǎn)換開關(guān)為WK112－A型低電勢轉(zhuǎn)換開關(guān)具有3 min 內(nèi)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換全部檢查點的功能，并不產(chǎn)生附加熱點勢。檢測儀表選擇FLD5008 多路溫度記錄儀，測量精度優(yōu)于0.5 級。

測溫時，溫度定為工藝熱處理溫度 600～640℃，保溫期間測溫架的各測溫點最高與最低溫差不得大于83 ℃.測溫時，把測溫架推入爐膛內(nèi)假設(shè)的有效加熱區(qū)的位置，并從爐門側(cè)引出電偶絲。

表3 檢測用熱電偶規(guī)格Table 3 Thermocouple specifications for detection

有效加熱區(qū)檢測熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線要求如表 4所示。

表4 有效加熱區(qū)檢測熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線規(guī)格Table 4 Thermocouple compensation wire specifications for detection of effective heating zone

經(jīng)實際測溫，測溫架內(nèi)加熱空間滿足熱處理工藝要求，為有效加熱區(qū)。

經(jīng)實際測溫后得到數(shù)據(jù)如表5 所示。

同時，在容器制造過程中，要盡量保證二氧化碳容器殼體的組裝質(zhì)量。組裝質(zhì)量的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在橢圓度、角變形及錯邊量的大小等方面。如果殼體組裝的形狀不規(guī)則，橢圓度超過殼體內(nèi)徑的 5‰，就會使一些接頭產(chǎn)生較為復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。對二氧化碳容器的焊接上，也從焊接材料——包括焊接材料的選擇、嚴(yán)格控制焊條烘干制度、控制焊接線能量、控制預(yù)熱溫度、控制層間溫度、控制后熱及消氫處理溫度、合理安排焊接順序、控制焊接環(huán)境、控制焊接檢驗及焊工技能考核等方面加以合理控制，最大限度的減小焊接應(yīng)力的產(chǎn)生。

表5 測量的實際溫度Table 5 Measurement of the actual temperature

熱處理爐有效加熱區(qū)確定后，我廠按此有效加熱區(qū)空間布置二氧化碳容器，先試驗3 爐，每爐按圖1 所示裝5 臺容器，熱處理后分別對二氧化碳容器筒體與封頭間環(huán)縫、筒體拼接縱縫、管臺與筒體間搭接焊縫進(jìn)行測試，經(jīng)測試，殘余應(yīng)力消除68%～77%，滿足要求。后經(jīng)給國外某公司提供相關(guān)數(shù)據(jù)測試，并經(jīng)AI 確認(rèn)，同意我廠用此方法對二氧化碳進(jìn)行消除焊接殘余應(yīng)力熱處理。

3 結(jié) 論

經(jīng)對我廠現(xiàn)有熱處理退火爐 RJT-450-11 進(jìn)行有效加熱區(qū)確定后，在熱處理爐有效加熱區(qū)內(nèi)對二氧化碳容器容器進(jìn)行的焊后熱處理，滿足工藝要求，減少了按ASME 中要求電偶固定在容器上測溫的程序，提高了勞動效率。

［1］ 全國熱處理標(biāo)注化技術(shù)委員會.金屬熱處理標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊 （第 2版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005-07.

［2］ ASME 鍋爐及壓力容器委員會壓力容器分委員會.壓力容器制造規(guī)程.（2007 SECTION Ⅷ-DIVISION 1）[M].北京：中國石化出版社，2005.

［3］國家標(biāo)準(zhǔn)局.GB7704-87 X 射線應(yīng)力測試方法[S].北京: 1987-05-04 .

［4］中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理學(xué)會編.熱處理手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001-04 .

［5］樊東黎.熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000 .