球形容器局部热处理残余热应力控制方法

摘要

本发明公开了一种球形容器局部热处理残余热应力控制方法，首先根据球形容器体积、壁厚和局部热处理所需受处理区域的面积，计算出圆形加热区域的弧长半径，将加热器具放在受处理区域进行加热；采用单面加热或双面加热，并设置绝热层；控制升温速度不大于150℃/h；达到恒温温度并按预定恒温时间恒温处理后进行冷却；冷却速度应控制在升温速度的50％以内，按照冷却速度冷却到300℃/h后将绝热层去除。本发明解决了长期困扰球形容器局部热处理残余热应力控制问题，按照不同的需要，将球形容器局部热处理造成的残余热应力控制在从屈服应力的40％到接近于零水平，避免应力腐蚀开裂和脆性断裂等安全隐患，增加大型设备连续运行的安全可靠性性，操作安全便捷。

说明书

技术领域

本发明是关于热处理技术，特别涉及一种球形容器局部热处理残余热应力控制方法。

背景技术

球形容器广泛应用于石油、石化、化工和市政等行业中，属于大型承压特种设备。在使用过程中，球形容器经常出现裂纹等危险性缺陷，需进行焊接修复。由于焊接过程的固有特点，焊接残余应力必然产生，而且由于球罐壁厚通常较大，拘束力强，补焊带来的残余应力通常会达到材料的屈服极限，对设备安全运行构成潜在威胁。因此需要进行热处理来消除焊接残余应力。工程中通常采用局部热处理方式消除补焊带来的残余应力，在D.拉达伊著，熊第京等译的《焊接热效应：温度场、残余应力、变形》(机械工业出版社，1997年7月第1版)中认为，在大多数情况下，局部热处理后，残余应力仅仅向外位移而已。张亦良等通过采用X射线衍射方法，对比测试了一台2000m³球形容器局部热处理前后8个测点的残余应力，表明热处理之后各点平均应力为243.8MPa，与热处理之前相比，仅下降了22.8％，且未补焊的部位残余应力在局部热处理之后还有所提高，由468MPa提高为479MPa(2000m³在役压力容器应力状况分析，试验力学，2001，16(3)：276-282)。张亦良等通过对一台1500m³球形容器两种不同的局部热处理方法测试结果的差异，得出局部补焊后小范围矩形加热热处理后(加热范围400×600mm)，残余应力仍然接近或达到材料的屈服极限，说明局部热处理没有起到作用；而采用整环加热可将残余应力降低到原来的50％(1500m³液化石油气球罐残余应力分析，石油化工设备，2004，33(6)：9-12)。这些案例表明，通过局部热处理来消除焊接残余应力还没有达到令人满意的效果。

美国《ASME锅炉压力容器规范》第VIII卷的三个分卷中公开了完全相同的球形壳体局部热处理的规定，指出局部热处理的“热透区域”(soakband)应为圆形，其半径应当超出补焊区域一个板厚与2英寸(51mm)中的较小值。这里“热透区域”指温度达到或超过规定恒温温度的金属区间。由于在局部热处理过程中“热透区域”不能简单地认为是局部加热区域，因此这种要求在工程中不容易应用。从中发现即使完全满足ASME的规定，残余热应力仍可达到材料的屈服极限，这表明ASME的规定并不能指导工程实际。

我国相关国家标准和特种设备安全技术规范均没有关于球形容器局部热处理的规定。事实上目前国内对球形容器局部热处理的研究尚处于个案状态，尚缺乏成熟的经验，也未进行系统研究。工程中局部热处理效果评价一次就需要数万元(通常30000元以上)，大多数用户无力支付，使工艺参数选择处于盲目状态，无法保证热处理的效果。

通常情况下，为了防止残余应力带来的诸如应力腐蚀开裂和脆性断裂等严重事故，残余应力应当控制在材料屈服极限的40％以下。由于目前球形容器向大型化和高参数方向发展，开始大量采用低合金高强度钢制造球形容器，而且随着国际石油品质的劣化，对残余应力的要求更加严格，一些情况下，需要将残余应力降低到10％以下。

造成局部热处理效果不良的主要原因是局部热处理过程本身带来的残余热应力。在局部热处理过程中，高温区域产生的热膨胀受到周围冷金属的强烈约束，不能自由扩展；同时高温区域和常温区域之间的温度差距也会带来很大的温度梯度，这一切均会引起热应力。高温下热应力一般会达到或超过对应温度下的材料的屈服极限，从而产生塑性应变；在冷却过程中，这些塑性应变不能完全恢复，从而造成残余热应力和残余变形。

发明内容

本发明是为了克服以上技术存在的问题，提供一种球形容器局部热处理残余热应力控制方法，达到解决球形容器局部热处理残余热应力问题的目的，将残余热应力控制在期望水平上。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：首先根据球形容器体积、壁厚和局部热处理所需要受处理区域的面积，计算出圆形加热区域的弧长半径，将选定的加热器具放在受处理区域，进行加热，可以采用单面加热或双面加热，当采用内侧单面加热时，对应的外侧表面应设置绝热层；当采用外侧单面加热时，对应的内侧表面应设置绝热层，但无论单面加热还是双面加热，加热器具与空气接触表面均应可靠绝热，加热面为圆形或近似圆形，受处理的区域应位于加热面中心，加热过程中应控制升温速度，使不大于150℃/h，达到恒温温度并按预定恒温时间恒温处理后进行冷却；冷却速度应控制在升温速度的50％以内，按照冷却速度冷却到300℃/h后，将绝热层去除，热处理结束。

根据球形容器的体积、壁厚和和局部热处理所需要受处理区域的面积，按照不同的残余热应力期望水平，计算出合适的加热区域弧长半径，当期望的残余热应力为材料常温屈服极限的40％、30％、20％、10％、5％、～0％时，对应的加热区域弧长半径计算公式分别为 $>>2.10>>Rt>>,>2.22>>Rt>>,>$> $>>2.36>>Rt>>,>2.54>>Rt>>,>2.64>>Rt>>,>2.92>>Rt>>,>$>可以通过线性插值来计算中间应力水平所对应的加热区域半径。

上述加热器具包括远红外电加热板、履带式电加热板或火焰加热。

上述绝热层厚度应不小于100mm。

采用火焰加热时，加热器具与空气接触表面不加绝热层。

本发明的有益效果，解决了长期困扰业界的球形容器局部热处理残余热应力控制问题，可以按照不同的需要，将球形容器局部热处理造成的残余热应力控制在从屈服应力的40％到接近于零水平，从而避免由此带来的应力腐蚀开裂和脆性断裂等安全隐患，增加大型设备连续运行的安全可靠性性，且操作安全便捷。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明：一种球形容器局部热处理残余热应力控制方法，首先根据球形容器体积、壁厚和局部热处理所需要受处理区域的面积，计算出圆形加热区域的弧长半径，将选定的加热器具放在受处理区域，进行加热。可以采用单面加热或双面加热。当采用内侧单面加热时，对应的外侧表面应设置绝热层；当采用外侧单面加热时，对应的内侧表面应设置绝热层。但无论单面加热还是双面加热，加热器具与空气接触表面均应可靠绝热。加热面为圆形或近似圆形，受处理的区域应位于加热面中心。加热过程中应控制升温速度，使不大于150℃/h。达到恒温温度并按预定恒温时间恒温处理后进行冷却；冷却速度应控制在升温速度的50％以内，按照冷却速度冷却到300℃/h后，将绝热层去除，热处理结束。上述加热器具包括远红外电加热板、履带式电加热板或火焰加热。上述绝热层厚度应不小于100mm。采用火焰加热时，加热器具与空气接触表面不加绝热层。

球形容器局部热处理的加热面应当为圆形或近似圆形。受处理的区域，包括补焊区域及其热影响区应当位于加热面的中心。加热器具包括远红外加热板、履带式电加热板或火焰加热，加热器具应位于受处理区域的同侧、外侧或内外两侧同时加热。按照不同的残余热应力期望水平，以母线弧长表示的加热区域半径计算方法如下：

上述计算方法的适用条件：

(1)恒温温度和恒温时间应符合相关国家标准和安全技术规范的规定。

(2)采用内侧单面加热时，对应的外侧表面应可靠绝热；当采用外侧单面加热时，对应的内侧表面应可靠绝热。单面加热和双面加热均允许，但加热器具与空气接触表面应可靠绝热。

(3)超出圆形加热区域之外，应设置环形绝热区域，以防止过大温度梯度带来的不良影响。环形绝热区域的宽度应不小于加热区域弧长半径的50％。环形绝热区域可以和圆形绝热区域统一设置。绝热层厚度应不小于100mm。

(4)升温速度应不大于150℃/h，冷却速度应控制在升温速度的50％以内。

(5)当需要热处理的区域超过加热区域的50％时(按弧长计)，应至少将超出部分的弧长等量扩大加热区域半径。

(6)应在需要热处理区域的内侧和外侧各至少设置两个测温点，置于中心和热处理区域外缘，作为调整热输入的反馈参数。但当热处理区域较大时，应在外缘增设测温点。

如果不能确定期望的残余应力水平，宜按照10％屈服应力标准选择加热区域半径。

本发明采用较大的加热和绝热面积，热处理区域冷却速度会随着金属温度的降低而明显减慢。为了提高工作效率，当热处理区域温度下降到300℃以下时，可以将绝热层去除，以缩短工时。

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。

对一台1000m³(内半径R为6204mm)、壁厚t为40mm的球形容器，若存在120mm长的补焊焊缝，则热处理区域直径为120+40×2＝200mm。球形容器材料为16MnR，常温屈服极限为307MPa，以屈服极限的40％(即122.8MPa)作为热处理区域平均残余热应力的期望值，则加热区域半弧长为 $>>2.10>>Rt>>=>1064>mm>.>$>由于需要热处理的区域弧长半径(100mm)小于加热半弧长的50％，因此不需要增加加热面。将圆形加热器具置于内侧表面，取环形绝热区域宽度为1000mm、恒温温度为600℃、恒温时间为2h进行局部热处理，热处理过程中将加热速度控制在100℃/h、冷却速度控制在50℃/h，得到的热处理区域内表面残余热应力为123.4MPa，可见非常接近期望值(122.8MPa)。这时，热处理区域外表面残余热应力为87.9MPa。