變?nèi)菔綗崽幚黼娮锠t有效加熱區(qū)測定

王乃軍 姜賢文 張希剛 吳家雷 張大為 曹 哲

（1.山東聯(lián)友石化工程有限公司，濟南 250101；2.濟南市特種設(shè)備協(xié)會，濟南 250300）

山東聯(lián)友石化工程有限公司2020 年初建成投用的變?nèi)菔脚_車熱處理電阻爐，用于壓力容器焊后熱處理[1]。它的有效使用截面固定不變，為3.6 m×3.6 m，長度方向可以分為9 m、17 m、25 m 共3 種容積工況，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 3 種容積工況結(jié)構(gòu)圖

通過變?nèi)菘蛇_到節(jié)能的目的。該爐屬于箱式周期爐（以下簡稱箱式爐），3 種容積工況應(yīng)分別歸入小型箱式爐、中型箱式爐和大型箱式爐[2]。9 m 容積工況下熱處理溫度上限可達950 ℃，除用于消應(yīng)處理外，還可用于碳素鋼、低合金鋼材質(zhì)的正火處理或退火處理，以及奧氏體不銹鋼材質(zhì)的穩(wěn)定化處理。其他容積工況下熱處理溫度的上限設(shè)定為650 ℃，只用于消應(yīng)處理。

采用熱處理爐進行壓力容器焊后熱處理，要求整個過程特別是保溫過程的爐溫保持均勻[3-4]。這對于保證熱處理的工序乃至壓力容器產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。因此，在熱處理爐投用前和正常使用后，都要進行有效加熱區(qū)的測定[5]，以驗證熱處理爐各測試點溫度相對于設(shè)定溫度的最大溫度偏差，確定滿足熱處理工藝規(guī)定溫度和均勻性的工作空間。因此，對熱處理爐有效加熱區(qū)的測定，是壓力容器生產(chǎn)企業(yè)的日常工作。變?nèi)菔綗崽幚頎t在通過變?nèi)輰崿F(xiàn)節(jié)能、降低建造成本的同時，增加了有效加熱區(qū)測定的工作量。因此，形成標(biāo)準(zhǔn)化的測定流程和能重復(fù)使用的工裝非常必要。

1 有效加熱區(qū)測定方案的制定

1.1 熱處理爐溫度控制及顯示

1.1.1 正常工作狀態(tài)下

上位機作為系統(tǒng)操作界面（工控機、打印機等），能直觀顯示當(dāng)前設(shè)備的運行情況，包括各區(qū)的溫度、功率輸出及報警信息等。上位機可以以曲線圖形方式設(shè)定并下達工藝參數(shù)，由系統(tǒng)自動按照工藝要求完成整個工藝過程，同時實時采集記錄溫度和功率數(shù)據(jù)。上位機作為系統(tǒng)編輯界面，包括系統(tǒng)全貌界面、熱處理工藝編制界面、過程溫度棒圖界面、參數(shù)設(shè)置界面、故障報警管理界面以及安全管理界面等。整個熱處理爐實際由相互獨立的3 節(jié)組成，每節(jié)分4 個溫控區(qū)，共有12 個溫控區(qū)，對應(yīng)在爐體靠近控制室一側(cè)。設(shè)C1～C12共12 個熱電偶接口用于放置熱電偶，均布在爐壁上，對應(yīng)控制室12 個液晶溫度顯示器，顯示爐體內(nèi)相應(yīng)熱電偶的實時溫度。設(shè)定的熱處理工藝參數(shù)通過C4接口的控溫?zé)犭娕枷掳l(fā)[1]。

1.1.2 測定工作狀態(tài)下

有效加熱區(qū)測定是一項模擬正常工作狀態(tài)的臨時性工作，在熱處理爐空載運行下進行，上位機作為系統(tǒng)操作界面，原有溫控系統(tǒng)正常工作，包括設(shè)定測定熱處理工藝參數(shù)下達、反饋、顯示。不同的是，它需要通過爐體上C13、C14、C15這3 個專門設(shè)置的有效加熱區(qū)測定熱電偶接口，導(dǎo)出臨時設(shè)置的熱電偶接收的信號。

1.2 需要測定的工況

一方面，有效加熱區(qū)的位置和體積變化需要測定。因為變?nèi)葑鳂I(yè)改變了有效加熱區(qū)的位置，所以每一種使用的工況都需要單獨測定。為了確保不出現(xiàn)返工，應(yīng)從9 m、17 m、25 m 容積工況依次進行[2]。為了減少由于容積變化需要增加的測定次數(shù)，將假定有效加熱區(qū)的截面積確定為最大，即熱處理爐的有效截面積為3.6 m×3.6 m。

另一方面，消應(yīng)處理和正火處理（含穩(wěn)定化處理）、退火處理等工況，由于溫度不同，一般要分別進行有效加熱區(qū)測定，除非先進行最高使用溫度（如950 ℃）的測定并合格。

1.3 測定工裝

測定工裝包括測溫架、熱電偶和補償導(dǎo)線、顯示記錄儀器共3 大類。

1.3.1 測溫架設(shè)計制作

測溫架用于布置并固定測溫?zé)犭娕?。測溫架的幾何尺寸與假定有效加熱區(qū)有關(guān)，因此幾何尺寸確定為與熱處理爐的有效截面積相同，即3.6 m×3.6 m。長度方向是3 種容積工況的最大長度，分別取9 m、17 m和25 m。3 種容積工況下測溫點的數(shù)量和分布有不同要求[2]，測溫點數(shù)量要求如表1 所示。

表1 測溫點數(shù)量要求

3 種容積工況下，測溫點①～測溫點?的分布要求如圖2 所示。每一個測溫點要設(shè)置一支熱電偶。可以看出，測溫點絕大部分要求設(shè)置在熱處理爐的角端。

圖2 測溫點的分布要求

綜合各種因素，測溫架的設(shè)計需要考慮兩點：一是測溫架的安裝、拆除一般在爐內(nèi)狹小空間進行，基本靠人力搬運，在保證穩(wěn)定性的前提下，要求測溫架的構(gòu)件足夠輕；二是熱處理爐每使用一個周期后需要測定，使用相對頻繁，因此制作的測溫架要能反復(fù)使用，以節(jié)約成本。

在一定的容積工況下，無論溫度工況如何，測溫架幾何尺寸是一樣的。

變?nèi)菔綗崽幚頎t有效截面尺寸固定，改變的只是長度。雖然3 種容積工況下測溫點的數(shù)量和分布要求不同，但是通過歸類，無論長度方向尺寸如何變化，測溫架都由立面1、立面2 和立面3 這3 種立面組合而成。這3 種立面可以由構(gòu)件1、構(gòu)件2、構(gòu)件3 和構(gòu)件4 拼接而成。測溫架構(gòu)成如圖3 所示。

圖3 測溫架構(gòu)成

由于目前尚未接到過高于650 ℃的熱處理任務(wù)，實際制作采用的是Φ25 mm×2.5 mm的20#鋼管和Φ18 mm的碳素鋼圓鋼制作4 種構(gòu)件，如圖4 所示。所有構(gòu)件采用4 種節(jié)點方式通過承插連接，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖4 測溫架構(gòu)件圖

圖5 構(gòu)件節(jié)點圖（單位：mm）

將構(gòu)件尺寸進行統(tǒng)一，同一構(gòu)件實現(xiàn)互換，其中構(gòu)件4 有3 種規(guī)格，如表2 所示。需要說明的是，長度為3.6 m的構(gòu)件4 用在立面組裝的插接，長度為4.5 m 的構(gòu)件4用在測定9 m 容積工況立面之間連接時的插接，長度為4.0 m 的構(gòu)件4 用在9 m 容積工況基礎(chǔ)上測定17 m和25 m 容積工況立面之間連接時的插接。

表2 構(gòu)件使用位置和尺寸

1.3.2 熱電偶和補償導(dǎo)線的選擇

正常使用時，熱處理爐的溫度控制區(qū)間為400 ～950 ℃，可選擇鎳鉻-鎳硅、分度號為K 型、等級為二級的熱電偶，并按相應(yīng)規(guī)范進行校準(zhǔn)[6]。用于測定的熱電偶校準(zhǔn)周期要求為6 個月，比其他用途的同型號熱電偶校準(zhǔn)周期短，因此最好在測定使用前安排一次校準(zhǔn)。校準(zhǔn)合格的熱電偶測定誤差為±0.75%t，其中t為測定溫度。

依據(jù)熱電偶分度號K，選擇將熱電偶信號接入記錄儀器的補償導(dǎo)線型號為KX 的鎳鉻10-鎳硅3 延長型導(dǎo)線，代號KX-GS。爐內(nèi)部分由于在高溫環(huán)境下使用，其絕緣層和保護套要采用陶瓷材料進行組裝。補償導(dǎo)線應(yīng)按相應(yīng)規(guī)范進行校準(zhǔn)[6]，可以將校準(zhǔn)周期設(shè)定為一年，校準(zhǔn)合格的補償導(dǎo)線傳輸數(shù)據(jù)誤差為±1.5 ℃。

測定過程中，一般要求熱電偶和補償導(dǎo)線要始終保持完好。不高于950 ℃以及17 m、25 m 的容積工況下，最多允許有1 支不在角端位置的熱電偶出現(xiàn)故障而免于數(shù)據(jù)統(tǒng)計，否則需要排除故障后重新測定。

1.3.3 顯示記錄儀器的配置

使用上位機系統(tǒng)作為操作界面，編制和下達測定熱處理工藝，同時增加1 臺無紙記錄儀，用于顯示并記錄測定的熱電偶信號。

無紙記錄儀通道數(shù)一般為12 條、24 條、36 條或48 條。依據(jù)通道數(shù)量，可以采用兩種測定方式，最理想的是采用24 條及以上通道的無紙記錄儀。各種工況測定時，全部點數(shù)都能在無紙記錄儀上顯示和記錄。采用12 通道無紙記錄儀，則相對復(fù)雜。當(dāng)測定17 m或25 m 容積工況需要顯示和記錄13 個或16 個測溫點數(shù)據(jù)時，為了顯示和記錄第13 號或者第13 ～16號測溫點的實時溫度，就要利用上位機系統(tǒng)的控制柜實現(xiàn)測溫點的顯示和記錄。

按照規(guī)范，無紙記錄儀校準(zhǔn)周期應(yīng)為1 年。校準(zhǔn)合格的無紙記錄儀數(shù)據(jù)誤差為量程的±0.5%或±0.2%[7]。

1.4 測定結(jié)果的判定

依據(jù)熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，溫度均勻性為±20 ℃[2]，熱處理爐類別定義為Ⅴ類。對于某一工況測定過程記錄的溫度數(shù)據(jù)，需要將熱電偶、補償導(dǎo)線、無紙記錄儀的數(shù)據(jù)偏差的最大值相加后加以修正。只有修正后的溫度數(shù)據(jù)與測定熱處理工藝溫度的最大偏差和最小偏差在±20 ℃，這種工況下熱處理爐的假定有效加熱區(qū)才是滿足熱處理工藝規(guī)定溫度和均勻性的工作空間。修正后的溫度數(shù)據(jù)與測定熱處理工藝溫度的最大偏差和最小偏差超出±20 ℃的范圍，判定為不合格，此時需要查找原因或改變假定有效加熱區(qū)重新測定，否則熱處理爐應(yīng)停用檢修或報廢。

2 有效加熱區(qū)測定

山東聯(lián)友石化工程有限公司的這臺熱處理爐經(jīng)過2020 年6 月、2020 年12 月和2021 年6 月連續(xù)3 個測定周期合格后，將測定周期延長至1 年[5]。以2022 年6 月的一次610 ℃熱處理溫度的測定過程為例進行過程闡述。

2.1 工裝組對

測定準(zhǔn)備適用于3 種容積工況的測溫架1 套，鎳鉻-鎳硅K 型熱電偶16 支，KX-GS 補償導(dǎo)線若干，12 通道盤古VX5112R 無紙記錄儀1 臺。經(jīng)校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)誤差為量程的±0.2%。測溫架和儀器儀表安裝就緒后，如圖6 所示。

圖6 測定工裝安裝圖

9 m 容積工況的工裝組對比較簡單。9 支測定熱電偶安裝就緒后，補償導(dǎo)線從C13接口導(dǎo)出，信號按編號接入12 通道的無紙記錄儀。

9 m 容積工況測定完成并合格后，17 m 容積工況測定需要的13 支測定熱電偶安裝就緒，其中7 支熱電偶補償導(dǎo)線從C13接口導(dǎo)出，6 支熱電偶補償導(dǎo)線從C14接口導(dǎo)出。12 支熱電偶信號按編號接入12 通道無紙記錄儀，另外1 支熱電偶信號通過解除C1熱電偶與工控機的接口而接入上位機系統(tǒng)，在控制柜顯示實時溫度。

17 m 容積工況測定完成并合格后，25 m 容積工況測定工裝組對與17 m 工況測定類似。16 支測定熱電偶補償導(dǎo)線分別從C13～C15接口導(dǎo)出，其中12 支熱電偶信號按編號接入12 通道的無紙記錄儀，另外4 支熱電偶信號通過解除C1～C3和C5熱電偶與工控機的接口接入上位機系統(tǒng)，在控制柜顯示實時溫度。

2.2 有效加熱區(qū)的實際測定過程

仔細檢查補償導(dǎo)線的正負極接線情況，確認無誤后通過上位機系統(tǒng)下達測定熱處理工藝。熱處理爐開始升溫，達到保溫溫度時，儀表溫度顯示情況如圖7所示。其中，17 m 容積工況和25 m 容積工況分別有1 支和4 支熱電偶需要通過熱處理爐上位機系統(tǒng)的控制柜儀表顯示。

圖7 儀表溫度顯示和輔助顯示

達到保溫溫度后，每10 min 對各測溫點顯示溫度進行一次手工實時記錄[5]。整理記錄的數(shù)據(jù)時應(yīng)考慮鎳鉻-鎳硅K 型熱電偶、KX-GS 補償導(dǎo)線、無紙記錄儀的傳輸誤差，分別為±0.75%t、±1.5 ℃、±0.2%量程（此處以保溫溫度計算），合計最大修正值為±7.295 ℃。

3 種容積工況有效加熱區(qū)測定整理后數(shù)據(jù)及結(jié)論見表3、表4 和表5，表中1 ～16 為設(shè)置的測定熱電偶編號。

表3 9 m 容積工況測定時熱電偶顯示溫度記錄 單位：℃

表4 17 m 容積工況測定時熱電偶顯示溫度記錄 單位：℃

表5 25 m 容積工況測定時熱電偶顯示溫度記錄 單位：℃

3 種容積工況測定數(shù)據(jù)經(jīng)歸類、修正后，溫度偏差均在±20 ℃范圍內(nèi)，表明這臺熱處理爐的溫度均勻性符合規(guī)范要求[2]，可以繼續(xù)使用，具體數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 3 種容積工況測定數(shù)據(jù)歸類修正表 單位：℃

3 結(jié)語

根據(jù)熱處理爐的結(jié)構(gòu)特點，制作一套易于拆裝、組合的有效加熱區(qū)測定工裝，是實現(xiàn)測定流程標(biāo)準(zhǔn)化的前提條件。不僅節(jié)約測定成本，而且對于提高熱處理爐有效加熱區(qū)測定效率乃至保證測定結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。變?nèi)菔綗崽幚頎t的有效加熱區(qū)測定要耗費大量人力物力，且測定結(jié)果有效期有限，使用單位可以根據(jù)未來一個階段產(chǎn)品訂單的規(guī)格情況決定測定的容積工況。大容積工況的有效加熱區(qū)測定可視產(chǎn)品訂單情況臨時組織，不必每次測定都安排。