304H奧氏體不銹鋼丙烷脫氫反應(yīng)器的焊后熱處理

袁世東，劉扣森

(森松(江蘇)重工有限公司，上海 201323)

0 引言

丙烷脫氫(PDH)制丙烯，與其他生產(chǎn)技術(shù)相比，獲得同等規(guī)模的丙烯產(chǎn)量，丙烷脫氫技術(shù)的基建投資相對較低。

目前，丙烷脫氫工藝有：(1)UOP公司的Oleflex工藝；(2)ABB Lummus公司的Catofin工藝；(3)伍德(Krupp Uhdewcng)公司的STAR工藝；(4)Linde-BASF-Statoil共同開發(fā)的PDH工藝等。已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的主要是UOP的Oleflex工藝和ABB Lummus的Catofin工藝，UOP和Lummus兩種工藝路線大體相同，所不同的只是脫氫和催化劑再生部分[1]。

常用的UOP的Oleflex工藝的丙烷脫氫裝置中的核心反應(yīng)器較之前的UOP的“四合一”連續(xù)重整反應(yīng)器，不僅設(shè)計溫度由550 ℃變?yōu)?70 ℃，結(jié)構(gòu)也變化較大[2]，其主要材料選用含碳量不低于0.04%的耐高溫性能較好的奧氏體不銹鋼SA240 304H。反應(yīng)器制造的關(guān)鍵工藝是熱處理，按照壓力容器國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，奧氏體不銹鋼材料焊后無需進(jìn)行熱處理，但由于奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于鐵素體不銹鋼，其殘余應(yīng)力的幅值也遠(yuǎn)高于后者[3]，對于厚板焊接的殘余應(yīng)力在使用過程中的釋放，以及可能發(fā)生的應(yīng)力腐蝕裂紋，均需要額外考慮。本設(shè)備使用溫度高，且介質(zhì)含氫氣，可能存在的微觀熱裂紋、較高的焊接殘余應(yīng)力值對設(shè)備正常的使用壽命會有很大影響。因此，如何消除焊接殘余應(yīng)力和改善焊縫組織均勻性對設(shè)備的壽命至關(guān)重要，且由于相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和制造經(jīng)驗都很少，如何在工程中合理地制定焊后熱處理工藝以及如何保證焊后熱處理工藝的實(shí)施，對設(shè)備的制造質(zhì)量很關(guān)鍵。

本文通過對熱處理工藝進(jìn)行闡述，分析和總結(jié)304H材料在焊后熱處理方面的制造難點(diǎn)，為今后制造類似產(chǎn)品提供一定的經(jīng)驗。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)概況及特點(diǎn)

該反應(yīng)器的主要設(shè)計參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)形式見圖1。

表1 主要設(shè)計參數(shù)

該設(shè)備設(shè)計制造規(guī)范按ASME Ⅷ-1，主體材料均選用ASME SA240 304H奧氏體不銹鋼，總高度約34.7 m，筒體最大直徑?4700 mm，筒體最大厚度66 mm，主要由封頭、筒體、錐體、接管法蘭、人孔、設(shè)備法蘭、裙座、內(nèi)件等組成。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

2 材料性能

304H奧氏體不銹鋼具有良好的耐高溫性能和焊接性。由于碳含量控制在0.04%～0.10%，較高含量的碳提供了較好的抗拉強(qiáng)度和在高溫下較好的蠕變強(qiáng)度[4-6]。其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表2，3所示。

表2 SA240 304H不銹鋼的主要化學(xué)成分 %

表3 SA240 304H不銹鋼的主要力學(xué)性能

3 反應(yīng)器的焊后熱處理要求

SA240 304H屬于奧氏體不銹鋼，按照ASME Ⅷ-1 UHA篇制造要求，不強(qiáng)制進(jìn)行焊后熱處理，沒有相應(yīng)的技術(shù)要求可參照[7]。奧氏體不銹鋼消除殘余應(yīng)力的熱處理一般在550～650 ℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，在某些場合，為了更有效地消除殘余應(yīng)力，則要進(jìn)行較高溫度的焊后熱處理[3]?？紤]到設(shè)備長期在高溫工況下運(yùn)行，304H奧氏體不銹鋼又有一定的熱裂紋傾向，為最大程度減少焊后殘余應(yīng)力的存在，該反應(yīng)器最終確定的熱處理參數(shù)見表4。

奧氏體不銹鋼304H在890 ℃的屈服強(qiáng)度很低[8]，僅26.9MPa。304H在不同溫度下的屈服強(qiáng)度如表5所示，熱處理過程中溫差應(yīng)力一旦超過屈服強(qiáng)度,會對材料形成破壞。ASME Ⅷ-2中要求：臨界載荷時，目標(biāo)應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度；加熱階段的熱應(yīng)力應(yīng)小于2倍的屈服強(qiáng)度(σT≤2σy)；冷卻階段熱應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度(σT≤σy)[9]。

表4 熱處理參數(shù)

表5 304H在不同溫度下的屈服強(qiáng)度

3.1 設(shè)備熱處理放置方式分析

為避免熱處理對材料造成永久性的破壞，通過有限元分析軟件ABAQUS對反應(yīng)器的焊后熱處理進(jìn)行熱應(yīng)力瞬態(tài)分析，計算工件的變形情況，同時確認(rèn)最大的升降溫速度以減少加熱、保溫、降溫階段產(chǎn)品的局部應(yīng)力和永久變形。有限元分析軟件ABAQUS廣泛應(yīng)用于核電、航空、汽車以及石油化工等領(lǐng)域，可以解決很多工程問題，如靜態(tài)分析、模態(tài)/頻率分析、非線性瞬態(tài)動力學(xué)分析、諧波響應(yīng)分析、傳熱分析、流體分析等[10]。

根據(jù)熱應(yīng)力瞬態(tài)分析，認(rèn)為高溫下臥式熱處理，對工裝的要求非常高，只有立式進(jìn)行熱處理才能有效控制設(shè)備的變形，見圖2，3。確認(rèn)了升降溫速度在不同溫度階段有不同的要求，結(jié)構(gòu)顯著變化的區(qū)域?qū)ι禍氐囊笠膊煌?，通過采取在升溫階段320，500 ℃分別設(shè)置保溫平臺來減少溫差才能按照要求完成熱處理。

圖2 基于自重的應(yīng)力分布(890 ℃)

圖3 指定位置的應(yīng)力曲線

3.2 厚度不均勻部位的處理

該熱處理不僅溫度高，同時反應(yīng)器直徑大，部分筒體厚薄不均，在熱處理過程中的變形也是需要考慮的情況。對厚薄差異較大的地方，由于溫度梯度變化明顯，需要增加局部保溫來減緩溫度梯度；且保溫棉的厚度要有控制，否則會造成新的溫差梯度；通過有限元分析模擬結(jié)果可以精確地得出保溫棉需要增加的位置。圖4示出對其中的一段進(jìn)行不同時刻的溫度分布的熱應(yīng)力模擬結(jié)果。圖5示出不同位置(筒體上部、保溫區(qū)、法蘭)的溫度變化。

3.3 熱處理變形處理

對同一部件進(jìn)行有限元模擬發(fā)現(xiàn)，高溫?zé)崤蛎洉?dǎo)致在焊后熱處理時工件變形程度不同，見圖6，7。根據(jù)ASME BPV Ⅱ卷D篇提供的不同溫度范圍內(nèi)奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)，從20～825 ℃的溫度范圍內(nèi)，平均熱膨脹系數(shù)為19.4×10-6mm/mm/℃，據(jù)此計算，在焊后熱處理時，分段直徑方向上的伸長量最大為79 mm，高度伸長量為145 mm；需要增加滑動裝置來保證在加熱和冷卻時可以進(jìn)行伸長和收縮，以減少變形。

圖5 不同位置(筒體上部、保溫區(qū)、法蘭)的溫度變化

圖6 熱處理時的變形情況

圖7 指定位置的軸向變形情況

4 爐內(nèi)熱處理和局部熱處理

大型設(shè)備的制造通?？紤]整體爐內(nèi)熱處理，主要是考慮到熱處理爐操作簡單，溫度控制容易且精度高，熱處理效果可靠。本項目因材料高溫屈服強(qiáng)度較低，爐內(nèi)熱處理時，為避免溫差應(yīng)力對材料的損傷，要求在500 ℃以上，任意兩個測溫點(diǎn)的溫差小于50 ℃，要求在設(shè)備內(nèi)外表面均布測溫點(diǎn)，其數(shù)量多，測溫點(diǎn)數(shù)量單臺總計300個，即使分段做，考慮到并爐熱處理，單爐熱處理的測溫點(diǎn)的數(shù)量最多256個，如何確保256個測溫點(diǎn)在爐內(nèi)的溫差均勻成為一個難題。圖8為工件并爐熱處理的照片。

圖8 爐內(nèi)熱處理照片

最終整臺反應(yīng)器共分6段進(jìn)行分段立式爐內(nèi)熱處理，不同的分段要進(jìn)行同爐熱處理。熱處理使用臺車式天然氣爐，熱處理爐爐膛尺寸(長×寬×高)為：28 000 mm×9 000 mm×9 800 mm；熱處理爐采用天然氣燃燒加熱系統(tǒng)，共有24個燃燒噴嘴，燃燒加熱系統(tǒng)有高速燒嘴、智能型燃燒控制器、天然氣切斷閥、調(diào)節(jié)閥、點(diǎn)火器及火焰監(jiān)測器等組成。高速燒嘴有足夠的速度使?fàn)t內(nèi)溫度均勻攪拌，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度均勻。智能型燃燒控制器可以實(shí)現(xiàn)自動點(diǎn)火、大小火切換、熄火報警、熄火保護(hù)等全過程的自動和手動控制。

采用新研發(fā)的多點(diǎn)溫度采集控制系統(tǒng)順利實(shí)現(xiàn)了工藝要求。該系統(tǒng)通過對各溫度點(diǎn)的實(shí)時溫度采集，將數(shù)據(jù)直接傳送到控制單元，配備工業(yè)數(shù)據(jù)采集模塊，通過RS485遠(yuǎn)程通訊，實(shí)現(xiàn)溫度層和控制層的信息傳送和溫度采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)的定時采集；通過組態(tài)軟件，實(shí)時顯示各采樣點(diǎn)的溫度和同步高低溫度監(jiān)控報警。圖9為256點(diǎn)溫度集中采集系統(tǒng)。

圖9 多點(diǎn)溫度集中采集系統(tǒng)

測溫用熱電偶采用K型高溫?zé)犭娕?，熱電偶采用電容補(bǔ)償焊的方式附在部件上，而且進(jìn)行保溫保護(hù);為防止加熱過程中熱電偶發(fā)生問題，提前在每件熱電偶附近15 mm范圍內(nèi)準(zhǔn)備1件備用的熱電偶，一旦有問題即可采用備件進(jìn)行記錄。圖10為其中熱電偶數(shù)量最多的一段工件的熱電偶分布圖。

圖10 其中一段工件的熱電偶分布

整臺反應(yīng)器由于分段進(jìn)行爐內(nèi)熱處理，故必須解決合攏環(huán)縫的局部熱處理問題。雖然容器合攏縫采用局部熱處理是經(jīng)常應(yīng)用的，但通常均為普通碳鋼低合金鋼的600～700 ℃的低溫?zé)崽幚?，其對熱處理的要求相對簡單，而對不銹鋼的高溫?zé)崽幚韯t鮮有進(jìn)行現(xiàn)場局部熱處理的情況，也沒有相關(guān)的資料文獻(xiàn)。為此查閱國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和參照普通碳鋼的局部熱處理經(jīng)驗，合理制定不銹鋼的局部熱處理工藝也是關(guān)鍵。最終本項目確定采用在環(huán)縫內(nèi)外安置可折疊的電阻式陶瓷加熱片，電加熱片外側(cè)包裹保溫材料的方式進(jìn)行。加熱片型號選擇 LCD-220V-14KW，LCD-220V-7KW兩種，最高加熱溫度1 500 ℃。幾個電加熱片可以在一個溫度控制區(qū)統(tǒng)一控制。加熱片外側(cè)用絕熱保溫材料為硅酸鋁纖維保溫棉；保溫棉外用鐵絲捆扎，內(nèi)用工裝環(huán)支撐固定。溫度主要靠傳導(dǎo)進(jìn)行，其溫度均勻性不如爐內(nèi)進(jìn)行，尤其是高溫情況下，其溫度的均勻性和精度受現(xiàn)場環(huán)境的影響較大[11]。對其加熱區(qū)域和保溫區(qū)域嚴(yán)格按照WRC-452[12]執(zhí)行，將熱處理區(qū)域分為均溫帶(Soak Band，SB)、加熱帶(Heating Band，HB)、梯度控制帶(Gradient Control Band，GCB)， 圖11為SB，HB，GCB區(qū)域分布圖。通過計算，確定各區(qū)域分布的寬度。加熱帶(HB)被多個可折疊的電阻式陶瓷加熱片覆蓋，所有的加熱片被附在筒體上，圖12為現(xiàn)場局部熱處理施工照片。測溫用熱電偶分布如圖13所示。

圖11 SB，HB，GCB區(qū)域分布

圖12 局部熱處理現(xiàn)場照片

圖13 局部熱處理熱電偶分布

測溫用熱電偶同樣采用K型高溫?zé)犭娕迹c在爐內(nèi)熱處理一樣采用電容補(bǔ)償焊的方式附在部件上，而且進(jìn)行保溫保護(hù)以及一件一備的方式防止熱電偶的失效。

為確保組件加熱均勻，8件控溫?zé)犭娕紤?yīng)被附在焊縫上?？傆嫙崽幚韰^(qū)域的內(nèi)表面有12件監(jiān)控?zé)犭娕荚诩訜釒?HB)區(qū)內(nèi)，外表面有12件監(jiān)控?zé)犭娕荚诩訜釒?HB)和梯度控制帶(GCB)區(qū)內(nèi)，任一熱電偶不能位于加熱片下，必須用鋼帶固定在焊縫上。

和整體熱處理相比，局部熱處理的溫度控制難度更大，若控制不當(dāng)，不僅消除應(yīng)力不徹底，也會造成局部變形，尤其是伸縮量的精確計算對滑動裝置的設(shè)置，最終的產(chǎn)品變形程度有很大的影響。同時,熱處理前要做好各項準(zhǔn)備工作，對加熱區(qū)熱電偶嚴(yán)格控制，做好備件熱電偶，以避免由于熱電偶損壞造成局部加熱不均勻，以及外側(cè)邊緣產(chǎn)生有害的溫度梯度。

5 結(jié)語

從最終的設(shè)備情況看，通過熱應(yīng)力瞬態(tài)分析，較好地解決了熱處理變形的問題，同時前期周密的工藝安排，以及過程中的嚴(yán)格控制，最終圓滿地完成了SA240 304H的焊后熱處理，并得出以下結(jié)論。

(1)熱應(yīng)力瞬態(tài)分析在熱處理的實(shí)際應(yīng)用中是有效的，尤其是高溫?zé)崽幚淼膽?yīng)用中，由于材料在高溫下強(qiáng)度很低，拘束應(yīng)力和溫差應(yīng)力的疊加會對材料造成破壞性的影響。

(2)采用局部熱處理進(jìn)行現(xiàn)場高溫?zé)崽幚淼姆绞绞强尚械?，在合理?yōu)化工藝的情況下，熱處理質(zhì)量是可控的。

(3)奧氏體不銹鋼SA240 304H進(jìn)行高溫焊后熱處理是可以實(shí)現(xiàn)的，可以有效避免焊接殘余應(yīng)力對材料的破壞，尤其是微裂紋不可避免的存在，焊接殘余應(yīng)力在后續(xù)的設(shè)備運(yùn)行中會逐步放大裂紋，影響使用壽命；焊后熱處理可以消除一部分的焊接殘余應(yīng)力，適當(dāng)延長設(shè)備的壽命。