厚壁設(shè)備局部熱處理驗證性實驗方法探討

林雅嵐 張耀祖

陜西化建工程有限責(zé)任公司 陜西楊凌 712100

焊后熱處理是消除焊接殘余應(yīng)力的重要手段，熱處理效果的好壞直接影響著壓力容器運行的安全性和可靠性。受到公路運輸條件的限制，設(shè)備一般采用廠內(nèi)分段制造，現(xiàn)場合攏的方式制作。隨著煉油、化工裝置的大型化，越來越多的超限厚壁承壓設(shè)備需要在現(xiàn)場進行局部焊后熱處理。

為了保證局部熱處理的效果，GB/ T30583-2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》中對局部熱處理的方法做了相應(yīng)規(guī)定。對于筒體局部焊后熱處理加熱帶和隔熱帶的推薦寬度，《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》附錄B 給出了δPWHT≤50mm 的數(shù)據(jù)。但是針對δPWHT＞50mm 的情況，僅指出需做局部熱處理驗證性實驗，未明確實驗方法。厚壁設(shè)備局部熱處理需雙面布置加熱片，無法測量中心區(qū)域溫度，只能按照鋼板表層熱電偶顯示的溫度控制熱處理保溫時長，可能導(dǎo)致熱處理保溫時長不足，焊接應(yīng)力消除不徹底。試板與產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)與體積、措施等方面差異很大，難以代表設(shè)備熱處理時的實際情況，真實的熱處理效果難以衡量。為此，設(shè)計了一種局部熱處理驗證性實驗方法，并采用有限元進行數(shù)值模擬和焊接試件模擬實驗比對來驗證該實驗方法的可行性。該方法指導(dǎo)了陜西化建工程有限責(zé)任公司承接的某煤基乙醇項目設(shè)備原料氣干燥器（設(shè)備規(guī)格：Φ5500×94×13880mm 材質(zhì)：Q345R）的局部熱處理工藝。

1 擬定實驗用熱處理工藝

1.1 擬定熱處理溫度曲線

根據(jù)GB/ T30583- 2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》規(guī)定，Q345R 屬于Fe- 1 類材料，以此擬定熱處理工藝曲線。

1.2 擬定加熱帶及隔熱帶寬度

采用雙U 形坡口焊接，焊縫寬度（hk）約為40mm。根據(jù)GB/ T30583- 2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》規(guī)定，取均溫帶寬度（SB）：焊縫寬度+2×50mm 和焊縫寬度+2×熱處理厚度之較小值，對于熱處理厚度為94mm 的等厚焊縫均溫帶寬度約為136mm。加熱帶寬度HB=7nhk（1＜n ＜3）不低于252mm，可選用300mm 寬電加熱帶。隔熱帶寬度GCB：加熱帶寬度+2×(200mm- 300mm)，因此隔熱帶需取700～1000mm，實驗時取800mm。詳見圖1。

圖1 局部熱處理范圍要求

2 實驗方法

驗證性實驗?zāi)康氖翘峁┮环N設(shè)備δPWHT＞50mm 的焊縫局部熱處理驗證性實驗方法，主要解決兩個問題：第一，厚壁容器需要雙面布置電加熱帶，熱處理過程中測溫僅能測得被加熱部件表面的溫度，而無法獲得部件中心的溫度。第二，在考慮溫度偏差的情況下，驗證擬定的熱處理工藝保溫時間是否合理，能否達到GB/ T30583-2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》中第4.3.3.4 條明確規(guī)定“均溫帶所示體積范圍內(nèi)任意一點溫度都應(yīng)符合焊后熱處理的規(guī)定”的要求。

2.1 試件材質(zhì)

選擇材料與原料氣干燥罐材質(zhì)Q345R（正火）相同，厚度相等；對接焊縫采用埋弧焊焊接，用F5P2- H10Mn2焊材作為填充材料，模擬時把筒體和焊接材料視為相同材料，材料性能采用隨溫度變化的參數(shù)。

2.2 試件結(jié)構(gòu)

由于局部熱處理為簡單的板對接環(huán)向焊接接頭，模擬試件的結(jié)構(gòu)也采用板對接形式，為了便于操作將曲面簡化為平板（圖2）。鋼板厚度方向1/ 2 處垂直軸線方向沿焊縫中心鉆Φ8mm 孔，孔深250mm；距離焊縫邊緣50mm 處和80mm 在焊縫兩側(cè)各鉆一個Φ8mm 孔，孔深250mm。

圖2 矩形熱處理試板模型

2.3 試件尺寸

（1）在垂直軸線方向采用500mm 寬度鋼板（焊縫長度方向），推薦長度10～15 倍的焊縫寬度。

（2）在軸線方向（垂直焊縫方向）因為溫度場沿軸線方向?qū)ΨQ流失，其長度根據(jù)有限元的模擬需要總長度≥1200mm。

2.4 溫度測量

采用三個Φ3mm 的測溫?zé)犭娕疾迦肟變?nèi)測溫。為保證測量的準確性，孔內(nèi)采用導(dǎo)熱系數(shù)與鐵相近的材料進行填充。

3 驗證性實驗

根據(jù)GB/ T 30583- 2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》現(xiàn)行標準規(guī)范進行焊后熱處理，采用WDK- 240 型溫控柜進行加熱和控溫，R3100- A108- SU- MB- VAC 型無紙記錄儀表進行溫度記錄和測溫。按照標準工藝升溫速率進行加熱，在20～300℃階段，可以1h 完成升溫；而300～620℃范圍內(nèi)，需以5500/ δ 的升溫速率進行升溫，其中δ 為設(shè)備厚度，取δPWHT=94mm。計算得到升溫速率為55℃/ h ≤V≤58℃/ h，此段至少需5.6h；最短保溫時間為2+ (δPWHT- 50)/ 100=2+ (94- 50)/ 100=2.44h；降溫速率為55℃/ h≤V≤81℃/ h，此段最快需3.7h。所以，最短熱處理共需11.78h。

按照確定的工藝參數(shù)進行驗證性模擬實驗：在試件鋼板厚度中心方向鉆孔進行測溫，其中上表面測溫點：2#（距離焊縫邊緣50mm），5#（焊縫中心）；厚度方向中心截面測溫點：8#（距離焊縫邊緣50mm），1#（焊縫中心）；下表面測溫點：4#（距離焊縫邊緣50mm），3#（焊縫中心）。實驗發(fā)現(xiàn)，保溫開始后上下表面測溫點2# —5# 達到600℃，中心1# 測溫點延遲35min 達到600℃，中心8#測溫點保持575±5℃。詳見表1。

表1 矩形熱處理試板局部熱處理制度

4 數(shù)值模擬驗證

4.1 基本假設(shè)

局部熱處理驗證性試件對接焊縫區(qū)域在熱處理的加熱和冷卻過程中，由于表面、中心的加熱和冷卻速度不一致及軸向熱量傳遞的影響，會形成溫差，產(chǎn)生應(yīng)力，對試件的形狀、尺寸和性能都有極大的影響。假設(shè)保溫后溫度均勻、熱處理后殘余應(yīng)力全部消除、加熱試件無變形。

4.2 材料性能

選擇材料與原料氣干燥罐材質(zhì)Q345R（正火）相同、厚度相等的低合金鋼材料，化學(xué)成分和各項物理性能見表2，氣泊松比取μ=0.3，密度ρ=7850kg/ m3。

表2 Q345R 低合金鋼的材料物理屬性

4.3 模型尺寸和網(wǎng)格劃分

為達到和現(xiàn)場承壓設(shè)備合攏焊縫相似的邊界條件，熱處理試板需要在三個方向模擬該設(shè)備：該承壓設(shè)備筒體厚度為94mm，因此所選熱處理試板的厚度為94mm；長度方向（即筒體軸向）通過對設(shè)備的數(shù)值模擬可知，離開焊縫兩側(cè)各1m 距離后，溫度變化梯度較小，因此取長度為2m；試板的寬度方向模擬設(shè)備的周長方向，理論上設(shè)備在周向方向是一個閉合的整體，并無對外散熱，為模擬絕熱條件，所以需要將寬度方向完全進行保溫，盡量使寬度方向接近絕熱條件。建立有限元模型并劃分網(wǎng)格圖（圖3），上下兩面加載的熱流密度與模擬實驗加熱工藝相同，裸露鋼板表面及隔熱層外表面加載自然對流邊界條件。

圖3 局部熱處理驗證性試板網(wǎng)格圖劃分

4.4 熱處理過程溫度場模擬

對圖3 所示模型及邊界條件采用表1 的加熱、保溫、降溫工藝進行加載計算，得到等厚焊接局部熱處理后和保溫完成后的溫度場分布下圖，見圖4—圖6。

圖4 保溫完成后溫度場分布

圖5 加熱完成后焊縫溫度場分布

圖6 保溫完成后焊縫及均溫帶溫度場分布

從溫度場模擬可以看出，當(dāng)寬度方向進行絕熱處理后，在該方向無溫度梯度，可以模擬圓筒結(jié)構(gòu)。長度方向焊縫區(qū)和均溫帶的溫度均在600℃以上，確保了焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的熱處理效果。厚度方向的溫度場基本對稱，最高溫度出現(xiàn)在壁面，因為該處與加熱器接觸；最低溫度區(qū)域出現(xiàn)在壁厚中間；最高溫度與最低溫度之差在10℃左右，尤其是保溫完成后，內(nèi)外表面溫差已小于10℃。

4.5 熱處理溫度變化趨勢結(jié)果分析

從計算分析模擬熱處理試件焊縫中心線、焊縫熔合線、均溫帶邊緣加熱結(jié)束和保溫結(jié)束后在壁厚方向上的溫度變化折線圖（圖7），以及熱處理試板加熱結(jié)束和保溫結(jié)束后焊縫不同部位的溫度對比折線圖（圖8），可見焊縫中心和熔合線溫差較小。說明整個焊縫區(qū)域溫度較為均勻，焊縫區(qū)所有部位溫度在620℃以上；熱處理后焊縫區(qū)和均溫帶整體溫度分布區(qū)間為620±20℃。在均溫帶溫度有所降低，但均溫帶溫度亦高于600℃，確保了熱影響區(qū)的熱處理溫度，滿足熱處理要求。

圖7 加熱結(jié)束后不同位置壁厚方向溫度變化

圖8 保溫結(jié)束后不同位置壁厚方向溫度變化

4.6 熱處理溫度時間歷程分析

通過熱處理試件焊縫中心、焊縫熔合線，以及均溫帶的內(nèi)壁、外壁及壁厚中間溫度隨時間的變化曲線，可以看出內(nèi)壁和外壁的溫度曲線基本重合，壁厚中間溫度與壁面溫度存在一定偏差。但從前面的結(jié)果可知，該差值在10℃左右，保溫完成后該差值小于10℃。為更清楚地表示壁面和內(nèi)部加熱時的時間差，對慢速升溫尾部進行局部放大可以看出，內(nèi)壁和外壁的升溫時間基本相同，壁厚中間和外壁的升溫時間差大約為14 min。圖9 為矩形試板焊縫兩側(cè)軸向溫度梯度曲線。

圖9 矩形試板焊縫兩側(cè)軸向溫度梯度

5 結(jié)果對比

通過采用有限元分析的方法進行局部熱處理驗證性試件數(shù)值模擬和現(xiàn)場模擬實驗對比來驗證δPWHT為94mm，Q345R 材料焊后局部熱處理擬定實驗工藝參數(shù)的對比如表3 和圖10 所示。

經(jīng)有限元數(shù)值模擬和擬定局部熱處理實驗的溫度檢測比對，可以看出對于熱處理試件上、下表面保溫開始最大溫差在熔合線附近偏差36℃，最小溫差在焊縫偏差16℃；熱處理試件上、下表面保溫結(jié)束始最大溫差在熔合線附近偏差28℃，最小溫差在均溫帶偏差18℃，熱處理溫度均在600℃以上；熱處理試件焊縫厚度中心面保溫開始最大溫差在熔合線附近偏差49℃，最小溫差在焊縫中心32.5℃；熱處理試件焊縫厚度中心面保溫結(jié)束最大溫差在熔合線附近偏差49℃，最小溫差在焊縫中心偏差32.5℃，數(shù)值模擬溫度在600℃以上，擬定實驗厚度中心面溫度測量在600℃以下，最大偏差22℃。按照Q345R 標準熱處理溫度620±20℃，94mm 厚度中心面溫度值與最低熱處理要求最大偏差為22℃，下限偏差3.6%。

表3 數(shù)值模擬和擬定驗證實驗溫度比對表 ℃

圖10 焊縫厚度方向中心測溫點數(shù)值模擬與擬定驗證實驗偏差折線圖

6 結(jié)論

通過對實驗熱處理試板的實際溫度數(shù)據(jù)可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果非常接近，說明該項目局部熱處理技術(shù)計算采用的數(shù)值模擬方法可行。

熱處理試板的有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，通過橫向保溫技術(shù)在矩形板中創(chuàng)造與圓筒相同的邊界條件，并采用與圓筒相同的方式進行熱處理，包括相同的板厚、焊縫寬度、均溫帶寬度、加熱寬度、加熱功率和保溫寬度，最終可以得到與圓筒相似的溫度分布及溫度- 時間曲線。因此，采用焊接熱處理試板可以模擬圓筒形壓力設(shè)備局部熱處理的溫度場，通過對熱處理試板內(nèi)部溫度進行測量，可以間接評估壓力設(shè)備熱處理過程的溫度。

參考《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》表2 焊后熱處理溫度低于規(guī)定最低保溫溫度時的保溫時間，計算出δPWHT為94mm 的Q345R 材料最短保溫時間為2.45h，與設(shè)定擬定驗證性實驗時間2.44h 幾乎相等。所以，局部熱處理驗證性實驗可行，但熱處理時要根據(jù)模擬分析和實驗適當(dāng)延長保溫時間。