立式圓筒形鋼儲(chǔ)罐整體熱處理質(zhì)量控制及分析

孫愛萍 潘 鑫喬新泉胡秋英

1河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北石家莊 050026；2中國化學(xué)工程第十四建設(shè)有限公司 江蘇南京 210044

1 概述

為了消除儲(chǔ)罐在焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力,穩(wěn)定儲(chǔ)罐幾何尺寸,提高金屬的韌性和抗應(yīng)力能力,同時(shí)防止延遲裂紋產(chǎn)生,改善儲(chǔ)罐使用性能,國內(nèi)對(duì)壁厚大于34mm的各種材質(zhì)的儲(chǔ)罐都進(jìn)行熱處理。

某藥業(yè)罐區(qū)項(xiàng)目施工中的30%氰化鈉儲(chǔ)罐,由于儲(chǔ)罐介質(zhì)為高危介質(zhì),為儲(chǔ)罐使用安全考慮,需消除焊接應(yīng)力,設(shè)計(jì)要求整體熱處理。儲(chǔ)罐容積200 m3,公稱直徑6000mm,高7800mm,主體材質(zhì)Q345R,壁厚10mm,設(shè)計(jì)壓力3000Pa?！读⑹綀A筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工規(guī)范》GB50128-2014、《石油天然氣建設(shè)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范儲(chǔ)罐工程》SY4202-2016及《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50341-2014等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均無相應(yīng)要求。經(jīng)咨詢及研討,參照NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》,進(jìn)行儲(chǔ)罐整體熱處理。

2 熱處理工藝及選擇

2.1 熱處理工藝及溫度

施工現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐整體熱處理主要采用內(nèi)燃法和電加熱法。若采用燃油內(nèi)燃法,為防止噴嘴位置罐壁過熱及積油燃燒會(huì)導(dǎo)致罐底過熱,需在罐內(nèi)安裝擋油盤,罐底采取防止積油措施。同時(shí),氰化鈉儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力為3000Pa,燃燒器鼓風(fēng)機(jī)壓力為3200Pa,燃燒后儲(chǔ)罐內(nèi)壓大于設(shè)計(jì)壓力,為施工安全考慮,選擇電加熱法進(jìn)行整體熱處理。

由于罐壁較薄,溫度越高,其許用應(yīng)力越小,其罐壁支耳和罐底支撐越不穩(wěn)定,同時(shí)考慮到罐基礎(chǔ)的原因,采用降溫?zé)崽幚?熱處理溫度570℃,最低保溫時(shí)間為24min,降溫允許值為30℃、55℃、80℃、110℃共四擋,降低溫度后最短保溫時(shí)間分別為2h、4h、10h、20h。

2.2 保溫層結(jié)構(gòu)

熱處理過程中保證外表面溫度不超過60℃,使用硅酸鋁棉保溫材料,保溫層厚度80mm,為保證整個(gè)罐體不出現(xiàn)漏縫,罐壁采用55%搭接安裝方式,前后塊硅酸鋁棉壓蓋處不小于55%。

罐底位置墊棉采用交錯(cuò)法,用鐵絲將數(shù)塊棉連接起來拉長(zhǎng)向上包起,整個(gè)底板包完一層后,將第二層面與第一層面90°方向位置穿入向上包起,罐底保溫層平均厚度120mm。在保溫棉安裝過程中連同熱電偶同時(shí)安裝,相鄰熱電偶之間距離不大于4.5m。

為防止儲(chǔ)罐將保溫棉壓實(shí),影響保溫效果導(dǎo)致儲(chǔ)罐基礎(chǔ)瀝青砂融化,同時(shí)也防止儲(chǔ)罐在熱處理過程中罐壁支耳處受熱產(chǎn)生變形,保溫層鋪設(shè)時(shí)將罐底輔助支撐點(diǎn)的鋼板臨時(shí)取出,待保溫棉包覆后再放置于保溫棉下面,整體熱處理時(shí)將儲(chǔ)罐落下壓在支撐墊板上。

2.3 加熱板布置

保溫棉、熱電偶安裝完成后進(jìn)行電加熱板安裝。在罐內(nèi)搭設(shè)腳手架,腳手架高度5850mm,約為儲(chǔ)罐高度的3/4。電加熱板橫向安放在腳手架上,分為4圈,每圈6塊均布,電加熱板與罐壁間距不小于400mm,為防止儲(chǔ)罐局部過熱,嚴(yán)禁將電加熱板貼在罐壁上。安裝時(shí)中間兩圈微內(nèi)收,上下兩圈略外擴(kuò),擺放方式以保證罐壁不出現(xiàn)局部過熱,同時(shí)保障罐底大角縫與罐頂包邊角鋼部位充分受熱,電加熱板的進(jìn)出線使用銅線,并穿陶瓷管以絕緣。

電熱板安裝調(diào)試完成后封閉上人孔,先預(yù)加熱,檢查是否存在接觸不良及漏電現(xiàn)象,加熱至50～80℃,檢查腳手架是否穩(wěn)固、儲(chǔ)罐是否有異響、熱電偶及記錄儀是否正常,加熱至100℃檢查儲(chǔ)罐是否出現(xiàn)熱變形以及各個(gè)熱電偶位置的溫差情況。有問題及時(shí)排除后,進(jìn)入正式熱處理程序,在熱處理過程中隨時(shí)檢查儲(chǔ)罐狀況。

3 質(zhì)量控制技術(shù)難點(diǎn)分析及措施

3.1 質(zhì)量控制技術(shù)難點(diǎn)分析

氰化鈉儲(chǔ)罐罐壁薄,罐底、罐壁及罐頂壁板均僅為10mm,罐頂及罐底焊接為搭接,儲(chǔ)罐基礎(chǔ)為瀝青砂結(jié)構(gòu)。其質(zhì)量控制技術(shù)難點(diǎn)主要如下:

(1)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)為瀝青砂結(jié)構(gòu),溫度超過80℃時(shí)會(huì)對(duì)基礎(chǔ)造成損壞。

(2)罐底搭接角焊縫在提升及受熱膨脹時(shí)可能將焊縫撕裂。

(3)罐頂搭接角焊縫在熱處理恒溫過程中罐頂人孔由于重力作用可能將罐頂壓塌。

(4)由于罐壁剛度較小,在整體頂升及熱處理過程中支耳處易引起塑性變形。

3.2 技術(shù)措施

針對(duì)以上質(zhì)量控制難點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)采用技術(shù)措施如下:

(1)對(duì)于瀝青砂結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),操作時(shí)用千斤頂將儲(chǔ)罐頂升10～20cm,在罐底鋪兩層保溫棉,采隔熱措施將儲(chǔ)罐與基礎(chǔ)分離,熱處理時(shí)控制儲(chǔ)罐保溫棉外側(cè)溫度不高于60℃。

(2)罐底的搭接焊縫在頂升前采取防變形措施,在底板焊縫位置加焊立筋,立筋要跨焊縫布置,焊縫兩側(cè)不少于200mm,整塊底板中間位置加焊筋板,熱處理后將筋板打磨下來,注意點(diǎn)焊時(shí)不得傷及母材,需采用相匹配的焊條,拆除時(shí)嚴(yán)禁敲擊以防撕裂母材。

(3)罐頂焊縫位置也采用立筋加強(qiáng)的方法,在徑向和緯向兩個(gè)方向加焊立筋。若現(xiàn)場(chǎng)具備條件,也可用鋼筋或圓鋼在人孔處制作一個(gè)加強(qiáng)吊桿或用手拉葫蘆加強(qiáng)。

(4)頂升時(shí)在罐底與罐基礎(chǔ)之間加塞鋼板防止儲(chǔ)罐傾倒,每頂升20mm塞進(jìn)相近厚度的鋼板,每個(gè)支腿位置至少安放一組,在頂升過程中注意監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐的垂直度,其傾斜度不得超過1度,同時(shí)保持千斤頂垂直頂升,防止傾斜時(shí)產(chǎn)生水平方向的力矩,使千斤頂失穩(wěn)。

4 關(guān)鍵工序分析計(jì)算

4.1 支腿分析計(jì)算

支腿選型為盡量靠近筒體,減少筒體壁板所受彎矩,減少變形量,選用A型短臂帶墊板式支耳,材質(zhì)采用罐壁板相同的材質(zhì)Q345R。

支腿計(jì)算參照J(rèn)BT 4712.3-2007《容器支座》第3部分耳式支座。因其標(biāo)準(zhǔn)適用范圍為不大于4m的圓筒形容器,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際適用時(shí)應(yīng)參照計(jì)算取相應(yīng)的安全系數(shù),其支腿規(guī)格見尺寸表1。

4.2 電功率計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)使用的電加熱板單塊功率為10KW/h,供電電壓為220V,升溫要求為55℃～120℃,鋼材比熱容C鋼=0.46×103J/（kg·℃）,空氣比熱容 C氣=1030J /（kg·℃） ,空氣密度ρ=1.293g/L,玻璃布比熱容C棉=1060J /（kg·℃）,輻射系數(shù)K=0.94(參考玻璃拋光平面輻射系數(shù))。儲(chǔ)罐外表面積為208m2。熱輻射損失為簡(jiǎn)化計(jì)算,取儲(chǔ)罐保溫棉外表面溫度為60℃,環(huán)境溫度為20℃。

表1 支腿規(guī)格尺寸表

由于采用電加熱進(jìn)行熱處理,在熱處理過程中主要熱損失為保溫絕熱層熱損失,能量輸入計(jì)算到恒溫完畢,儲(chǔ)罐升溫所需熱量、罐內(nèi)空氣升溫所需熱量、保溫棉升溫?zé)崃恐图礊樗锜崃俊?/p>

儲(chǔ)罐升溫所需熱量Q1:

式中:m1為儲(chǔ)罐質(zhì)量,T為熱處理恒溫溫度;

罐內(nèi)空氣升溫所需熱量Q2:

式中: 空氣質(zhì)量 m2=V×ρ=200×1.293kg/m3=258.6Kg;

保溫棉計(jì)算時(shí)由于棉內(nèi)有溫度梯度,內(nèi)部保溫以空氣為主,保溫棉體積為儲(chǔ)罐體積的9.2%,取值10%,保溫棉升溫需能量Q3:

考慮到熱損失、硅酸鋁制品導(dǎo)熱系數(shù)、絕熱層放熱系數(shù)、保溫棉厚度、熱處理內(nèi)部溫度、外表面積等因素,得:Q損失=111.062KW

每塊加熱板10KW,共計(jì)24塊,總功率240KW,恒溫時(shí)開到總功率的46.28%,升溫時(shí)升溫速率≥55℃/h,為保證熱處理安全,綜合考慮取60～120℃/h,所有升溫過程中熱損失為:

經(jīng)過9.2小時(shí)的升溫,儲(chǔ)罐由常溫升到570℃,總輸入能量為:

則升溫時(shí)平均功率N為161.5KW,取系數(shù)1.25,實(shí)際需求功率U為:

4.3 電纜選擇計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)線分為兩路,每路線路提供功率P=100KW,操作電壓為220V,三相電纜每相約152A,現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)電纜敷設(shè)方式是埋地敷設(shè),系數(shù)取1.43,電纜選擇參照電流為:

則選擇電纜為95平米以上鋁芯電纜或70平米以上銅芯電纜。

5 結(jié)語

總結(jié)該項(xiàng)目的立式儲(chǔ)罐熱處理工作,選用在罐內(nèi)均勻布置電加熱板,利用電熱能量轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的熱輻射加熱罐體的整體電加熱法,使儲(chǔ)罐整體加熱均勻穩(wěn)定、無燃燒廢氣、干凈清潔。操作過程中嚴(yán)格按照方案執(zhí)行,整個(gè)熱處理過程無異常情況,各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)正常,曲線平滑無波動(dòng),取得了良好效果。