現(xiàn)場組焊設(shè)備整體熱處理技術(shù)

張 東，吳 俊，王 超

中國石油天然氣第七建設(shè)有限公司，山東青島 266061

哈薩克斯坦PKOP奇姆肯特?zé)捰蛷S，位于古絲綢之路交匯點的南哈州首府奇姆肯特市，是哈國三大煉油企業(yè)之一。該廠于上世紀(jì)80年代建設(shè)，由于工藝落后逐漸不適合發(fā)展需要，鑒于此，在中哈兩國政府的支持和石油公司的努力下，以恢復(fù)產(chǎn)能600萬t/a、提高加工深度、改善環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，決定對其進(jìn)行升級改造。

該項目現(xiàn)場組焊的非標(biāo)設(shè)備比較多，采用不同的熱處理方法，其中需要進(jìn)行整體熱處理的設(shè)備多達(dá)14臺，是一個熱處理系統(tǒng)工程。因此必須提前做好充分的策劃，既要考慮到這些設(shè)備熱處理之間的特性，也要考慮到他們的共性，找到最佳的接合點，在保證質(zhì)量和安全的前提下，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理、高效的熱處理目標(biāo)。

1 工程概況及特點

哈薩克斯坦PKOP奇姆肯特?zé)捰蛷S的現(xiàn)代化改造以新建200萬t/a重油催化裂化裝置為主，主要包括100萬t/a催化汽油加氫、火炬系統(tǒng)等13套裝置的改造。由于部分設(shè)備尺寸較大，受國外運(yùn)輸條件限制等，經(jīng)過對整個改造項目所有非標(biāo)設(shè)備進(jìn)行梳理，結(jié)合我國和哈國沿線的運(yùn)輸能力等進(jìn)行綜合考慮，確定了該改造項目現(xiàn)場組焊設(shè)備的整體熱處理工程量，見表1。

該工程項目的特點如下：

（1）由于受國內(nèi)外運(yùn)輸條件的限制，增加了設(shè)備現(xiàn)場熱處理的工作量。

（2）熱處理設(shè)施、材料及人員受出關(guān)及簽證等要求的限制，增加了施工組織難度。

表1 現(xiàn)場組焊設(shè)備整體熱處理明細(xì)

（3）國外依托條件差，需做好熱處理的充分準(zhǔn)備，以保證熱處理的順利進(jìn)行。

2 熱處理目的和整體籌劃

2.1 熱處理目的

消除熱處理設(shè)備在組裝和焊接中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定幾何尺寸；進(jìn)一步釋放焊縫中的有害氣體，預(yù)防焊縫氫脆和裂紋的發(fā)生；改善焊接接頭和熱影響區(qū)的組織性能，降低硬度，提高塑韌性，達(dá)到提高設(shè)備使用壽命的目的[1]。

2.2 熱處理整體籌劃

根據(jù)表1統(tǒng)計，共有14臺設(shè)備需要在現(xiàn)場進(jìn)行焊后整體熱處理，由于設(shè)備尺寸各不相同，采用同一熱處理方法，將導(dǎo)致熱處理作業(yè)的極大浪費(fèi)和不適用。因此，為保證現(xiàn)場組焊設(shè)備熱處理的經(jīng)濟(jì)、效率和質(zhì)量的最優(yōu)化，經(jīng)過充分討論和分析，確定了以下熱處理方法。

（1）關(guān)于三級旋風(fēng)分離器上部球形封頭部分的熱處理，由于該結(jié)構(gòu)尺寸較大（直徑達(dá)7.6 m），不能在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行處理，且由于封頭高度較低，采用內(nèi)部燃油法處理時火焰長度不均勻，因此采用內(nèi)部設(shè)置電加熱片、外部溫度自動控制和測量的方法進(jìn)行熱處理。

（2）關(guān)于其余13臺現(xiàn)場組焊設(shè)備的熱處理，由于設(shè)備形狀較規(guī)則，均為塔器和儲罐類長圓形設(shè)備，為保證熱處理效果和利用率，根據(jù)13臺設(shè)備中最大的設(shè)備即分餾塔的尺寸（直徑5.4 m，長度25 m），在現(xiàn)場塔設(shè)長30 m、高和寬各7 m的模塊化熱處理爐一座，13臺熱處理設(shè)備按照組焊完成時間，可一臺或多臺在爐內(nèi)完成熱處理。

3 熱處理措施

3.1 三級旋風(fēng)分離器封頭熱處理

3.1.1 基本參數(shù)

根據(jù)圖紙要求，三級旋風(fēng)分離器（簡稱三旋）上封頭焊后需進(jìn)行熱處理，上封頭為球型封頭，內(nèi)徑7 600 mm，材質(zhì)為Q345R，壁厚46 mm，設(shè)計壓力為0.35 MPa，設(shè)計壁溫343℃，設(shè)計介質(zhì)溫度788℃，熱處理封頭質(zhì)量約31 t，如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場資源等條件，決定在現(xiàn)場分片組焊完成后，采用將封頭扣在平整地面上、內(nèi)部設(shè)置電加熱片、外部進(jìn)行絕熱保溫的方法進(jìn)行熱處理。

圖1 三級旋風(fēng)分離器上封頭外觀

3.1.2 熱處理工藝要求

三旋封頭熱處理工藝按圖2曲線執(zhí)行[2]。

圖2 三旋封頭熱處理工藝曲線

（1）升溫速率。當(dāng)溫度小于400℃時可不予控制；大于400℃時，升溫速率控制在80～120℃/h之間，實際設(shè)置為100℃/h。升溫時的最大溫差≤120℃。

（2）保溫時間。保溫時間為120 min，保溫最高與最低溫度之差不宜大于80℃。

（3）降溫速率。當(dāng)溫度≤400℃時可不予控制；大于400℃時，降溫速率控制在100～140℃/h之間，實際設(shè)置為120℃/h。

3.1.3 三旋封頭熱處理措施

主要包括以下四個方面[3]：

（1）熱處理場地布置。在現(xiàn)場設(shè)置一處至少10m×10 m的場地，先對場地進(jìn)行清理及找平，然后在其上敷設(shè)厚度不小于200 mm、直徑不小于9 000 mm的硅酸鋁針刺毯，再在其上擺上8根20號工字鋼，每根長1 m，擺成對稱的八卦型。

（2）熱處理加熱裝置布置。在工字鋼設(shè)置完畢后，根據(jù)熱工計算，確定電加熱片數(shù)量和位置，保證熱源的供給和穩(wěn)定。電加熱片為框架式陶瓷電加熱器，共設(shè)置56片，每片10 kW，采用2臺DWK-I型電腦溫控儀控制。爐內(nèi)電加熱器的布置固定應(yīng)盡量做到溫差最小，底部均勻布置。爐內(nèi)電加熱器的連接采用φ6 mm的不銹鋼圓鋼，兩根合并使用，引出爐外再用特制連接器與外導(dǎo)線連接，接到DWK-I型電腦溫控儀，每組零線焊在一起。所有加熱器均采用星形接法，同步通電加熱。溫控柜、電加熱片布置見圖3～4。三旋爐內(nèi)熱處理控溫設(shè)備采用國內(nèi)最先進(jìn)的DWK-I型電腦控制設(shè)備，共2臺，溫度控制范圍0～1 000℃，控制精度±1℃，將設(shè)定的工藝參數(shù)輸入電腦進(jìn)行溫度控制及記錄。

圖3 溫控柜布置

圖4 電加熱片布置

（3）設(shè)備就位及保溫設(shè)置。電加熱片布置完畢后，扣上熱處理封頭，見圖5。在封頭外部設(shè)置熱處理保溫披掛，以頂部大接管根部為中心向下進(jìn)行點焊，共設(shè)置30條披掛，最下部間距為800 mm，然后采用硅酸鋁針刺毯進(jìn)行不小于100 mm厚的保溫。3個大接管采用披掛進(jìn)行保溫，端部用鐵皮進(jìn)行封堵，并在中心設(shè)置可調(diào)通風(fēng)孔。頂部接管通風(fēng)孔不小于DN250，側(cè)面兩大接管通風(fēng)孔不小于DN150，在熱處理過程中通風(fēng)孔打開，并根據(jù)接管檢測溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，見圖6。

圖5 封頭擺放

圖6 封頭保溫

（4）測溫系統(tǒng)設(shè)置。本設(shè)備共設(shè)置2圈測溫?zé)犭娕?，下圈均?支，上圈均布4支，另在其他兩個大接管下部各設(shè)置1支熱電偶，共11支，如圖7所示。

圖7 熱電偶布置示意

3.1.4 熱處理步驟

其一，熱處理前檢查熱處理封頭是否全部具備條件，設(shè)備焊縫、墊板、接管和內(nèi)部連接件焊接應(yīng)檢測合格，并完成保溫披掛的設(shè)置。其二，熱處理前提前查看天氣情況，選擇無雨、無大風(fēng)等時段進(jìn)行熱處理。其三，熱處理場地設(shè)置完畢，電加熱片等布置完畢。其四，封頭吊至指定位置。其五，封頭保溫、熱電偶、焊接試板布置完畢。其六，現(xiàn)場設(shè)置警戒區(qū)域，通電調(diào)試，合格后進(jìn)行熱處理。其七，熱處理過程中和完成后檢查熱處理曲線，并應(yīng)對熱處理設(shè)備進(jìn)行檢查，看是否有明顯異狀。

3.1.5 熱處理后的質(zhì)量檢查和評定

熱處理過程實行全過程檢查制度，首先檢測熱處理溫度控制有無異常變化，曲線波動是否合格，然后專人對熱處理進(jìn)行全過程巡檢，保證熱處理過程無異?！，F(xiàn)場組焊設(shè)備熱處理后按要求對A、B、D焊縫進(jìn)行硬度檢測，每處按5點進(jìn)行，即焊縫區(qū)、兩側(cè)熱影響區(qū)、兩側(cè)母材區(qū)各測一點，硬度值應(yīng)≤220 HBW，如有不合格，允許重新打磨后再檢測，若再次不合格，則重新進(jìn)行熱處理直至合格。

經(jīng)過精心籌劃和提前準(zhǔn)備，順利完成了熱處理工作，并取得了良好的效果。

3.2 設(shè)備爐內(nèi)熱處理

3.2.1 熱處理爐建造[4]

考慮到13臺進(jìn)爐熱處理設(shè)備中最大的設(shè)備為分餾塔，直徑5.4 m，長度25 m，決定在現(xiàn)場預(yù)制廠房東部建造長30 m、高寬各7 m的熱處理爐一座；再考慮到其他熱處理設(shè)備的長度范圍，決定把熱處理爐分為8個模塊，中間6塊每個模塊長4 m，兩端每個模塊長3 m。按每1.5 m的距離布置一對噴嘴（D_320C/Z4-121G），共計40個，在爐兩側(cè)交叉布置。保溫采用定型塊。熱處理爐如圖8所示。熱處理設(shè)備可按實際長度，采用相應(yīng)的模塊數(shù)量進(jìn)行熱處理。

圖8 熱處理爐設(shè)計圖

3.2.2 工藝設(shè)計參數(shù)

爐型為可拆卸燃油熱處理爐，爐膛為30 000 mm×7 000 mm×7 500 mm（分8個大模塊），底部不設(shè)置爐臺和臺車，爐子直接座落在壓實平整的地面上。最大工件尺寸，φ 5 400 mm×28 000 mm（直徑×長）；有效加熱區(qū)尺寸：30 000 mm×6 500 mm×6 500 mm（長×寬×高）；最大裝載量：200 t（不含支座）；最高使用溫度：850℃，工藝常用溫度：600～750℃；爐溫均勻性：有效加熱區(qū)，保溫時≤±10℃；升溫速率：55～220℃/h（滿載時）可調(diào)（≥400℃時），降溫速度：55～280℃/h可控（≥400℃時），空溫升溫時間：≤2 h；燃料及發(fā)熱值：0#～-10#輕柴油，低發(fā)熱值，約43 960 kJ/kg；燃料最大消耗量：1 150 kg/h。燒嘴類型：一體燃燒器、明焰加熱、大/小火脈動燃燒；燒嘴數(shù)量：TBL85P型（850 kW），意大利百得原裝二段火燃油燃燒器，共24臺；油箱及管路：爐體二側(cè)各配一只8 t油箱，并配油泵、過濾器及油位顯示尺；控/測溫?zé)犭娕迹烘囥t-鎳硅（K分度號），共24支（兩側(cè)控溫）；控溫區(qū)：24區(qū)（一控一）；全爐電力安裝總功率：20 kVA（三相四線，～380 V/50 Hz）；爐體表面溫升：≤50℃；控溫方式：西門子S7-300 PLC+西門子Wicc6.0組態(tài)軟件集散式控制系統(tǒng)，采用工業(yè)以太網(wǎng)開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具備隨時查看近五年各爐記錄并打印記錄，有紙記錄儀采用上海大華品牌。環(huán)保要求：排煙、噪聲、環(huán)衛(wèi)、安全等達(dá)到國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。建造完成的熱處理爐如圖9所示。

圖9 建造完成的熱處理爐

3.2.3 分餾塔等13臺設(shè)備爐內(nèi)整體熱處理工藝

分餾塔等13臺現(xiàn)場組焊設(shè)備基本參數(shù)見表1，由于工藝相近，熱處理程序基本一致，因此以分餾塔為例，對爐內(nèi)整體熱處理工藝進(jìn)行詳細(xì)敘述。

（1）分餾塔基本參數(shù)。分餾塔直徑φ5.4 m，長5.137 4 m，塔體下部選用（S11306+14Cr1MoR）復(fù)合板，厚度為（48＋3）mm，上部選用Q345R鋼板，厚度為18 mm，塔體下部復(fù)合板部分需進(jìn)行焊后熱處理，外形見圖10。

（2）分餾塔熱處理工藝。熱處理工藝按圖11的曲線執(zhí)行。

（3）熱電偶布置。測量熱處理溫度的熱電偶布置，按規(guī)定間距不得大于4 600 mm，本設(shè)備長度為22 500 mm，因此共設(shè)置5圈，每圈均布4支，其中一支須設(shè)置在底部，另在封頭外側(cè)中心處設(shè)置一支，焊接試板設(shè)置一支，共22支；設(shè)置時宜在距焊縫邊緣20 mm左右處，用螺栓擰緊。熱電偶布置見圖12[5]。

圖10 分餾塔外形

圖11 分餾塔熱處理曲線

（4）熱處理主要步驟。其一，熱處理前檢查分餾塔熱處理段是否全部具備條件，完成設(shè)備焊縫、墊板、接管和內(nèi)部連接件焊接，并檢測合格，熱電偶固定螺母按指定位置固定完畢；其二，熱處理前提前查看天氣情況，選擇無雨、無大風(fēng)等時段進(jìn)行熱處理。熱處理前需在儲油罐里儲備10 t以上的柴油；其三，熱處理爐在熱處理前提前拆卸，全部拆卸直至剩最后一塊，并在底部設(shè)置3對型鋼進(jìn)行支撐，每對型鋼采用H250型鋼兩根重疊點焊在一起，型鋼底部找平并鋪設(shè)鋼板，待設(shè)備吊至型鋼上后用鍥子穩(wěn)固；其四，熱處理段在第一預(yù)制場制作完畢后，采用兩臺400 t履帶吊抬至熱處理爐內(nèi)，然后封閉爐子，連接熱電偶，接線，打開油閥進(jìn)行熱處理；其五，熱處理前應(yīng)對每個燃燒器進(jìn)行試燃，合格后按工藝要求進(jìn)行升溫、恒溫、降溫控制；其六，熱處理過程中和完成后，應(yīng)檢查熱處理曲線，爐蓋打開后應(yīng)對熱處理設(shè)備進(jìn)行檢查，合格后用吊車抬出爐外。

3.2.4 熱處理質(zhì)量檢查和評定

圖12 分餾塔熱電偶布置

熱處理過程實行全過程檢查制度，首先檢測熱處理溫度控制有無異常變化，曲線波動是否合格，然后組織1～2人對熱處理爐周圍進(jìn)行現(xiàn)場巡檢，保證熱處理全過程無異常，否則應(yīng)及時報告熱處理領(lǐng)導(dǎo)小組人員，再制訂技術(shù)措施進(jìn)行處理?，F(xiàn)場組焊設(shè)備熱處理后按要求對A、B、D焊縫進(jìn)行硬度檢測，每處按5點進(jìn)行檢測，即焊縫區(qū)、兩側(cè)熱影響區(qū)、兩側(cè)母材區(qū)各測一點，硬度值應(yīng)≤220 HBW[4]。

3.2.5 分餾塔爐內(nèi)熱處理主要質(zhì)量控制點

其一，熱處理應(yīng)做好防風(fēng)、防雨及防雷措施，避免在極端天氣下進(jìn)行；其二，設(shè)備接管法蘭面用保溫材料覆蓋，防止產(chǎn)生氧化層影響密封面質(zhì)量；其三，產(chǎn)品焊接試板應(yīng)同爐熱處理，單獨設(shè)置熱電偶測溫；熱處理火焰太長可能直接噴射在設(shè)備本體上，應(yīng)做好遮擋措施。

3.2.6 分餾塔爐內(nèi)熱處理主要HSE控制點

其一，進(jìn)行作業(yè)的人員必須各負(fù)其責(zé)，遵守各自工種的安全操作規(guī)范，做好各自崗位的安全工作，施工前、施工中，隨時檢查安全環(huán)境、設(shè)備安全完好情況，并相互檢查、提醒；其二，熱處理用的燃油儲箱應(yīng)無泄漏，輸送管帶及其接頭應(yīng)牢固密封無泄漏；其三，柴油為易燃物品，必須加強(qiáng)管理，設(shè)專人監(jiān)護(hù)使用，嚴(yán)防設(shè)備管路滲油、漏油；其四，熱處理時，設(shè)備區(qū)域場地不得有雜物、障礙物等不安全因素存在，熱處理危險區(qū)域應(yīng)有人員巡檢，嚴(yán)禁無關(guān)人員進(jìn)入危險區(qū)域。分餾塔爐內(nèi)熱處理后效果見圖13。

4 結(jié)束語

圖13 分餾塔爐內(nèi)熱處理后效果

該項目現(xiàn)場組焊的非標(biāo)設(shè)備多，又因在海外進(jìn)行施工作業(yè)，運(yùn)輸路線長，依托條件差，因此一切均需籌備完善，方能完成此任務(wù)。通過仔細(xì)研究，確定了以模塊化爐內(nèi)熱處理為主，結(jié)合內(nèi)部電加熱的方法，完成所有設(shè)備的焊后熱處理，最終順利地完成了14臺大型非標(biāo)設(shè)備的熱處理工作。該項目的成功實施，為今后同類大型工程設(shè)備的整體熱處理施工，特別是需克服國外運(yùn)輸條件受限、人員簽證受限、當(dāng)?shù)刭Y源貧乏情況下的一次熱處理施工，提供了寶貴經(jīng)驗和思路。