一种接管座角接接头局部焊后热处理方法

摘要

本发明涉及一种接管座角接接头局部焊后热处理方法 ，其包括：以角焊缝为中心，在筒体上布置功率为 Q1 的加热装置和在接管座上布置功率为 Q2 的加热装置， Q1 由给定的焊后热处理工艺和要求的加热范围计算得到， Q2 通过公式 A 计算得到。采取本发明方法可对角接接头 传热量较大的一侧进行定量加热功率补偿，使得加热区域的最高温度点位于角焊缝上， 有效避免了加热区域最高温度点偏离角焊缝，克服了传统焊后热处理工艺对接头性能的不利影响，满足焊后热处理技术要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种接管座角接接头局部焊后热处理方法，其特别适用于接 管座长度大于等于其外径5倍的接管座角接接头的焊后热处理，或者接管座 已与外部管道相连接的接管座角接接头的焊后热处理。

背景技术

焊后热处理是为消除焊接接头残余应力、改善焊接接头的组织和性能而 进行的一种热处理，其一般工艺流程为：安装热电偶→布置加热装置→包裹 保温棉→设定热处理参数→进行热处理。

接管座角接接头是常见的焊接接头形式之一，制造时在工厂一般随压力 容器或管道进行整体焊后热处理，但服役后现场焊接(如修复)时，接管座 已与压力容器筒体或者管道连接成一体，故只能对其进行局部热处理。在这 种条件下加热时，角焊缝两侧的传热条件不同，导致加热区域的最高温度发 生偏移，即若角焊缝两侧等功率布置加热装置，加热区域的最高温度并不位 于加热装置的中心即角焊缝上，而是向传热量小的方向偏移。偏移量与偏移 达到的最高温度，与材料种类、尺寸、环境条件及焊后热处理工艺参数等相 关。当偏移的最高温度超过材料相变温度后，将造成材料性能的损伤，甚至 直接导致接头报废。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的接 管座角接接头焊后热处理方法。

为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：

一种接管座角接接头局部焊后热处理方法，角接接头包括筒体、接管座、 连接筒体与接管座的角焊缝，所述焊后热处理方法包括：以角焊缝为中心， 在筒体上布置功率为Q1的加热装置和在接管座上布置功率为Q2的加热装 置，Q1由给定的焊后热处理工艺和要求的加热范围计算得到，Q2通过下述 公式A计算得到：

$\frac{Q1}{Q2}=(1\pm 10\%)·\frac{2·K·\delta 1·R1}{\delta 2·(W2+N2)}$……………公式A

式中：K为传热修正系数，是同一温度下筒体材料热导率与接管座材料热 导率的比值；

δ1为筒体公称壁厚；

R1为筒体上布置的加热装置的半径；

δ2为接管座的公称壁厚；

W2为接管座的公称外径；

N2为接管座的公称内径。

根据本发明的进一步实施方案，角接接头可以为同种钢角接接头(筒体 和接管座材料相同)或异种钢角接接头(筒体和接管座材料不同)。

优选地，接管座长度大于等于其外径5倍，或者接管座已与外部管道相 连接。

传热修正系数K为同一温度下筒体材料热导率λ1与接管座材料热导率 λ2的比值，当不同温度下比值不同时，取热处理起始温度至恒温温度范围内 多个温度下比值的平均值作为传热修正系数。

优选地，采取柔性加热绳作为加热元件，筒体上与接管座上缠绕的加热 绳的长度之比与加热功率Q1和Q2的比值相同。

根据本发明的一个具体方面：筒体上和接管座上的加热装置为同一条加 热回路，在角焊缝上布置1支热电偶，作为该加热回路的控温热电偶。进一 步地，所述方法具体包括如下步骤：

(1)、安装热电偶：在角焊缝上安装1支热电偶，作为加热装置的控温 热电偶；

(2)、计算筒体加热需要的功率Q1：根据给定的焊后热处理工艺和要求 的加热范围，计算筒体加热需要的功率Q1；

(3)、计算传热修正系数K：当所述筒体材料和所述接管座材料在不同 温度下的热导率比值相同时，计算筒体材料的热导率和接管座在某温度下的 比值即为传热修正系数K；当所述筒体材料和所述接管座材料在不同温度下 的热导率比值不同时，计算从热处理起始温度至恒温温度范围内多个温度下 筒体和接管座材料热导率的比值，然后取这些比值的平均值作为传热修正系 数K；

(4)、根据公式A计算布置在接管座上的功率Q2；

(5)、布置加热元件：选择柔性加热绳作为加热元件，在筒体上和接管 座上分别缠绕加热绳，并使分布在筒体上和接管座上的加热绳的功率分别为 Q1和Q2；

(6)、包裹保温棉：在加热绳覆盖区域及其外侧至少300mm范围内覆 盖保温棉；

(7)、可能的条件下，封堵接管座管孔；

(8)、设定热处理工艺曲线，进行焊后热处理。

根据本发明的又一具体方面，所述筒体和接管座上的加热装置设为二条 独立的加热回路，在角焊缝上布置2支热电偶，分别作为二条加热回路的控 温热电偶，进行热处理时，设定所述2支热电偶在同一时刻的温差在10℃以 内。所述方法具体包括如下步骤：

(1)、安装热电偶：在焊缝上安装2支热电偶，分别作为二个加热装置 的控温热电偶；

(2)、计算筒体加热需要的功率Q1：根据给定的焊后热处理工艺和要求 的加热范围，计算筒体加热需要的功率Q1；

(3)、计算传热修正系数K：当所述筒体材料和所述接管座材料在不同 温度下的热导率比值相同时，计算筒体材料的热导率和接管座在某温度下的 比值即为传热修正系数K；当所述筒体材料和所述接管座材料在不同温度下 的热导率比值不同时，计算从热处理起始温度至恒温温度范围内多个温度下 筒体和接管座材料热导率的比值，然后取这些比值的平均值作为传热修正系 数K；

(4)、根据公式A计算布置在接管座上的功率Q2；

(5)、布置加热装置：选择柔性加热绳作为加热元件，在筒体上和接管 座上分别缠绕加热绳，分布在筒体上和接管座上的加热绳的功率分别为Q1 和Q2；

(6)、包裹保温棉：在加热元件覆盖区域及外侧至少300mm范围内覆 盖保温棉；

(7)、可能的条件下，封堵接管座管孔；

(8)、设定焊后热处理工艺曲线：设定所述2支热电偶的控温曲线，同 一时刻两支热电偶的温差在10℃以内；

(9)、二条加热回路同时开始加热，进行焊后热处理。

根据本发明，无论是采取一条回路加热还是采取二条回路加热，均需要 对加热元件以及焊缝两侧受热区域进行保温，且两端保温宽度、保温层厚度 基本相等。同时采取工程措施，如关闭管道阀门、封堵接管座或管道端口等， 消除或减少管道内空气流动。

本发明中，给定的焊后热处理工艺和要求的加热范围针对具体的接管座角 接接头而言是已知和确定的。根据给定的焊后热处理工艺和要求的加热范围来 计算筒体加热需要的功率Q1属于本领域公知常识，在此不进行详述。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有以下优点：

对于角接接头来说，因角焊缝两侧的传热条件是不同的，发明人理论研 究与工程实践发现，以角焊缝为中心在焊缝两侧布置等功率加热装置的热处 理方法导致接头损伤的原因在于：热处理时的加热区域最高温度点并不是在 加热装置的中心即角焊缝上，而是向着传热量小的方向偏移，偏移量的大小 以及偏移发生的最高温度与具体的角接接头材料成分、规格、环境条件、焊 后热处理参数等相关。最高温度的偏移，恶化了加热区域温度场特性，影响 热处理后接头的使用性能与使用寿命，特别是当达到的最高温度超过材料的 相变点后，对接头性能造成严重损伤，甚至导致接头报废。本发明方法根据 角焊缝两侧的传热条件的不同来设置相应的加热条件，对传热量大的一侧进 行定量加热功率补偿，有效避免了加热区域最高温度点偏离焊缝，成功克服 了传统焊后热处理工艺对接头性能的不利影响，满足接头焊后热处理技术要 求。

附图说明

附图1显示了本发明所述的角接接头形式；

附图2为本发明所述筒体的局部剖视示意图；

附图3为本发明所述接管座的剖视示意图；

附图4为本发明一回路供应加热功率时的加热装置布置图；

附图5为本发明二回路供应加热功率时的加热装置布置图；

附图6为本发明一回路供应加热功率时的焊后热处理工艺参数曲线图；

附图7为本发明二回路供应加热功率时的焊后热处理工艺参数曲线图；

其中：

01、接管座角接接头；

1、筒体；

2、接管座；

3、角焊缝；

11、筒体的公称壁厚；

21、接管座的公称内径；

22、接管座的公称外径；

23、接管座的公称壁厚；

24、筒体上的加热装置的半径；

31、一回路加热时的加热装置；

32、一回路加热时的控温热电偶；

41、二回路加热时筒体上加热装置；

42、二回路加热时接管座上的加热装置；

43、二回路加热时筒体上加热装置的控温热电偶；

44、二回路加热时接管座上的加热装置的控温热电偶；

51、控温热电偶43不同时刻的温度值；

52、控温热电偶44不同时刻的温度值；

50、同一时刻控温热电偶43和44的温差。

具体实施方式

如图1至3所示，本发明所述的接管座角接接头01包括筒体1、接管座 2以及连接筒体1和接管座2的角焊缝3，其中接管座2的长度大于等于其外 径5倍，或者接管座2已与外部管道相连接。

当采用同一条回路对角接接头焊后热处理时，如图4所示，根据给定的 焊后热处理工艺和要求的加热范围，计算筒体1上需要的加热功率Q1。根据 热处理工艺、筒体1和接管座3不同温度下的热导率，计算从热处理起始温 度至恒温温度范围内多个温度下筒体1和接管座3材料热导率的比值，然后 取这些比值的平均值作为传热修正系数K。根据公式A，计算接管座2上需 要布置的加热功率Q2。

将控温热电偶32布置在角焊缝3上，将加热元件31(加热绳)布置在 以角焊缝3为中心的筒体1、接管座2上。布置在筒体1和接管座2上的功率 分别为Q1、Q2。

按图6设定焊后热处理工艺曲线进行焊后热处理。根据该曲线，自动控 制装置调整加热元件输出电流。由于筒体1和接管座2上的加热元件处于同 一回路，因此输出的功率同比例地增大或减小，但将保持Q1/Q2的比值不变， 以保证筒体1和接管座2之间不存在相互传热，如此，即能保证焊缝始终处 于加热区域最高温度。

当采用二回路对角接接头焊后热处理时，如图5所示，根据给定的焊后 热处理工艺和要求的加热范围，计算筒体上需要的加热功率Q1。根据热处理 工艺、筒体1和接管座3不同温度下的热导率，计算从热处理起始温度至恒 温温度范围内多个温度下筒体1和接管座3材料热导率的比值，然后取这些 比值的平均值作为传热修正系数K。根据公式A，计算接管座2上需要布置 的加热功率Q2。

在角焊缝3上设置2支热电偶43，44，分别作为筒体1上加热装置41、 接管座2上的加热装置42的控温热电偶。将二组加热元件41，42(加热绳) 分别布置在以角焊缝为中心的筒体1、接管座2上。布置在筒体1和接管座2 上的功率分别为Q1、Q2。设定同一时刻2支热电偶43、44的温度差50为±10℃ 以内，如图7所示。虽然筒体1和接管座2上的加热元件处于不同回路，但 同一时刻控温热电偶43、44的温度相差在±10℃以内，因此筒体1和接管座2 之间不存在相互传热，保证焊缝始终处于加热区域最高温度。

无论采用一回路控制还是采用二回路控制，均需要对加热元件及其外侧 至少300mm区域进行保温，且各处保温宽度、保温层厚度基本相等。同时， 采用工程措施，如关闭管道阀门、堵塞接管座端口等，消除或减少管道内空 气流动。

下面结合具体实施例对本发明的角接接头焊后处理工艺进行详细说明， 但本发明不限于以下实施例。

实施例1

某一压力容器筒体材料为BHW35，外径1800mm，壁厚95mm，其上有 一角接接头，接头接管座材料为20G，规格为OD273×22(mm)。焊接修复工 艺要求对该角接接头进行局部焊后热处理，热处理恒温温度600℃，升降温速 度300℃/h，热处理时在筒体上的加热宽度为筒体壁厚的3倍。

采用本发明方法对接管座该角接接头进行局部焊后热处理，具体实施步 骤如下：

(1)加热功率计算与选择

根据焊后热处理工艺要求，计算得到筒体上加热需要的最小功率为 17kW。在以接管座中心为中心，半径为273/2+285＝422(mm)范围内，即在筒 体上的加热宽度为筒体壁厚3倍范围(285mm)内，可以布置30kW加热绳， 考虑功率储备，选择30kW功率的加热绳作为筒体上的加热元件。

(2)计算导热修正系数

BHW35与20G钢在不同温度下热导率不同，分别计算BHW35钢与20G 钢在常温、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃下热导率的比值，平 均后得到传热修正系数K＝0.83。

(3)确定接管座上需要的加热功率

根据筒体上布置的加热功率、筒体的规格、接管座的规格和传热修正系 数，采用公式A，得到接管座上需要布置的加热功率为5kW。

(4)控制方法的选择：选择一回路控制。

(5)热电偶布置：在角焊缝上安装1支热电偶，作为加热回路的控温 热电偶。

(6)加热元件布置：将30m加热绳(30kW功率)缠绕在以角焊缝为 中心的BHW35钢筒体上，缠绕半径为273/2+285＝422(mm)，即加热范围为筒 体3倍壁厚；将5m加热绳(5kW功率)缠绕在以角焊缝为中心20G钢接管座 上。

(7)保温：保温范围为加热绳缠绕范围及外侧500mm。同时在压力容 器内部与筒体外部对应保温区域覆盖保温棉。

(8)按给定的焊后热处理工艺参数设定焊后热处理工艺曲线，开始 焊后热处理。

工程中用测温仪器对加热区域的温度测量表明，采取上述焊后热处理方 法，焊缝处温度即为加热区域最高温度，满足接头焊后热处理技术要求。

实施例2

某容器封头上有一接管座角焊缝修复后需要局部焊后热处理。封头与接管 的材料均为12Cr1MoVG，封头外径828mm，壁厚82mm；接管座外径347mm， 壁厚40mm。焊接工艺要求对该角接接头进行焊后热处理，焊后热处理工艺要 求恒温温度720℃，升降温速度75℃/h，加热宽度为封头壁厚的2倍即164mm。

采用本发明方法对接管座该角接接头进行局部焊后热处理，具体实施步骤 如下：

(1)加热功率计算与选择

根据焊后热处理工艺要求，封头侧加热需要的最小功率为15.0kW，在接 管座周围347/2+164＝338mm范围内，即筒体壁厚2倍加热范围内，能够布置 30kW加热绳，考虑功率储备，选择30kW的加热绳作为封头上的加热元件。

(2)确定导热修正系数

封头与接管座材料相同，即导热修正系数K＝1。

(3)确定接管座上需要的加热功率

根据封头上布置的加热功率、封头的规格、接管座的规格和传热修正系数， 采用公式A，得到接管座上需要布置的加热功率为14kW。

(4)选择控制方法：选择二回路加热方式。

(5)热电偶布置：在角焊缝上安装2支热电偶，分别作为二条加热回路 的控温热电偶。

(6)加热元件布置：将30m加热绳(30kW功率)缠绕在以角焊缝为中 心的封头上，缠绕半径为347/2+164＝338(mm)，即加热范围为封头2倍壁厚； 将14m加热绳(14kW功率)缠绕在以角焊缝为中心的接管座上。

(7)保温：保温范围为加热缠绕范围及其外侧500mm。同时在封头内 壁全部覆盖保温棉，除了防止热量散失，也防止接管座管孔和其他管孔内的空 气流动。

(8)设定2支控温热电偶的控温曲线：设置2组曲线开始加热时间、升 降温速度、恒温温度与时间等均相同，保证同一时刻2支热电偶设定温差小于 10℃。

(9)焊后热处理：根据设定的焊后热处理工艺曲线，二条回路同时开始 进行焊后热处理。

工程中用测温仪器对加热区域的温度测量表明，采取上述焊后热处理方 法，焊缝处温度即为加热区域最高温度，满足接头焊后热处理技术要求。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技 术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范 围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。