專(zhuān)利名稱(chēng)：球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于熱處理技術(shù)，特別涉及一種球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力控制方法。
背景技術(shù)：
球形容器廣泛應(yīng)用于石油、石化、化工和市政等行業(yè)中，屬于大型承壓特種設(shè)備。在使用過(guò)程中，球形容器經(jīng)常出現(xiàn)裂紋等危險(xiǎn)性缺陷，需進(jìn)行焊接修復(fù)。由于焊接過(guò)程的固有特點(diǎn)，焊接殘余應(yīng)力必然產(chǎn)生，而且由于球罐壁厚通常較大，拘束力強(qiáng)，補(bǔ)焊帶來(lái)的殘余應(yīng)力通常會(huì)達(dá)到材料的屈服極限，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅。因此需要進(jìn)行熱處理來(lái)消除焊接殘余應(yīng)力。工程中通常采用局部熱處理方式消除補(bǔ)焊帶來(lái)的殘余應(yīng)力，在D.拉達(dá)伊著，熊第京等譯的《焊接熱效應(yīng)溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力、變形》(機(jī)械工業(yè)出版社，1997年7月第1版)中認(rèn)為，在大多數(shù)情況下，局部熱處理后，殘余應(yīng)力僅僅向外位移而已。張亦良等通過(guò)采用X射線(xiàn)衍射方法，對(duì)比測(cè)試了一臺(tái)2000m3球形容器局部熱處理前后8個(gè)測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力，表明熱處理之后各點(diǎn)平均應(yīng)力為243.8MPa，與熱處理之前相比，僅下降了22.8％，且未補(bǔ)焊的部位殘余應(yīng)力在局部熱處理之后還有所提高，由468MPa提高為479MPa(2000m3在役壓力容器應(yīng)力狀況分析，試驗(yàn)力學(xué)，2001，16(3)276-282)。張亦良等通過(guò)對(duì)一臺(tái)1500m3球形容器兩種不同的局部熱處理方法測(cè)試結(jié)果的差異，得出局部補(bǔ)焊后小范圍矩形加熱熱處理后(加熱范圍400×600mm)，殘余應(yīng)力仍然接近或達(dá)到材料的屈服極限，說(shuō)明局部熱處理沒(méi)有起到作用；而采用整環(huán)加熱可將殘余應(yīng)力降低到原來(lái)的50％(1500m3液化石油氣球罐殘余應(yīng)力分析，石油化工設(shè)備，2004，33(6)9-12)。這些案例表明，通過(guò)局部熱處理來(lái)消除焊接殘余應(yīng)力還沒(méi)有達(dá)到令人滿(mǎn)意的效果。
美國(guó)《ASME鍋爐壓力容器規(guī)范》第VIII卷的三個(gè)分卷中公開(kāi)了完全相同的球形殼體局部熱處理的規(guī)定，指出局部熱處理的“熱透區(qū)域”(soakband)應(yīng)為圓形，其半徑應(yīng)當(dāng)超出補(bǔ)焊區(qū)域一個(gè)板厚與2英寸(51mm)中的較小值。這里“熱透區(qū)域”指溫度達(dá)到或超過(guò)規(guī)定恒溫溫度的金屬區(qū)間。由于在局部熱處理過(guò)程中“熱透區(qū)域”不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是局部加熱區(qū)域，因此這種要求在工程中不容易應(yīng)用。從中發(fā)現(xiàn)即使完全滿(mǎn)足ASME的規(guī)定，殘余熱應(yīng)力仍可達(dá)到材料的屈服極限，這表明ASME的規(guī)定并不能指導(dǎo)工程實(shí)際。
我國(guó)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范均沒(méi)有關(guān)于球形容器局部熱處理的規(guī)定。事實(shí)上目前國(guó)內(nèi)對(duì)球形容器局部熱處理的研究尚處于個(gè)案狀態(tài)，尚缺乏成熟的經(jīng)驗(yàn)，也未進(jìn)行系統(tǒng)研究。工程中局部熱處理效果評(píng)價(jià)一次就需要數(shù)萬(wàn)元(通常30000元以上)，大多數(shù)用戶(hù)無(wú)力支付，使工藝參數(shù)選擇處于盲目狀態(tài)，無(wú)法保證熱處理的效果。
通常情況下，為了防止殘余應(yīng)力帶來(lái)的諸如應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和脆性斷裂等嚴(yán)重事故，殘余應(yīng)力應(yīng)當(dāng)控制在材料屈服極限的40％以下。由于目前球形容器向大型化和高參數(shù)方向發(fā)展，開(kāi)始大量采用低合金高強(qiáng)度鋼制造球形容器，而且隨著國(guó)際石油品質(zhì)的劣化，對(duì)殘余應(yīng)力的要求更加嚴(yán)格，一些情況下，需要將殘余應(yīng)力降低到10％以下。
造成局部熱處理效果不良的主要原因是局部熱處理過(guò)程本身帶來(lái)的殘余熱應(yīng)力。在局部熱處理過(guò)程中，高溫區(qū)域產(chǎn)生的熱膨脹受到周?chē)浣饘俚膹?qiáng)烈約束，不能自由擴(kuò)展；同時(shí)高溫區(qū)域和常溫區(qū)域之間的溫度差距也會(huì)帶來(lái)很大的溫度梯度，這一切均會(huì)引起熱應(yīng)力。高溫下熱應(yīng)力一般會(huì)達(dá)到或超過(guò)對(duì)應(yīng)溫度下的材料的屈服極限，從而產(chǎn)生塑性應(yīng)變；在冷卻過(guò)程中，這些塑性應(yīng)變不能完全恢復(fù)，從而造成殘余熱應(yīng)力和殘余變形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了克服以上技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力控制方法，達(dá)到解決球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力問(wèn)題的目的，將殘余熱應(yīng)力控制在期望水平上。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是首先根據(jù)球形容器體積、壁厚和局部熱處理所需要受處理區(qū)域的面積，計(jì)算出圓形加熱區(qū)域的弧長(zhǎng)半徑，將選定的加熱器具放在受處理區(qū)域，進(jìn)行加熱，可以采用單面加熱或雙面加熱，當(dāng)采用內(nèi)側(cè)單面加熱時(shí)，對(duì)應(yīng)的外側(cè)表面應(yīng)設(shè)置絕熱層；當(dāng)采用外側(cè)單面加熱時(shí)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)表面應(yīng)設(shè)置絕熱層，但無(wú)論單面加熱還是雙面加熱，加熱器具與空氣接觸表面均應(yīng)可靠絕熱，加熱面為圓形或近似圓形，受處理的區(qū)域應(yīng)位于加熱面中心，加熱過(guò)程中應(yīng)控制升溫速度，使不大于150℃/h，達(dá)到恒溫溫度并按預(yù)定恒溫時(shí)間恒溫處理后進(jìn)行冷卻；冷卻速度應(yīng)控制在升溫速度的50％以?xún)?nèi)，按照冷卻速度冷卻到300℃/h后，將絕熱層去除，熱處理結(jié)束。
根據(jù)球形容器的體積、壁厚和和局部熱處理所需要受處理區(qū)域的面積，按照不同的殘余熱應(yīng)力期望水平，計(jì)算出合適的加熱區(qū)域弧長(zhǎng)半徑，當(dāng)期望的殘余熱應(yīng)力為材料常溫屈服極限的40％、30％、20％、10％、5％、～0％時(shí)，對(duì)應(yīng)的加熱區(qū)域弧長(zhǎng)半徑計(jì)算公式分別為2.10Rt,2.22Rt,]]>2.36Rt,2.54Rt,2.64Rt,2.92Rt,]]>可以通過(guò)線(xiàn)性插值來(lái)計(jì)算中間應(yīng)力水平所對(duì)應(yīng)的加熱區(qū)域半徑。
上述加熱器具包括遠(yuǎn)紅外電加熱板、履帶式電加熱板或火焰加熱。
上述絕熱層厚度應(yīng)不小于100mm。
采用火焰加熱時(shí)，加熱器具與空氣接觸表面不加絕熱層。
本發(fā)明的有益效果，解決了長(zhǎng)期困擾業(yè)界的球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力控制問(wèn)題，可以按照不同的需要，將球形容器局部熱處理造成的殘余熱應(yīng)力控制在從屈服應(yīng)力的40％到接近于零水平，從而避免由此帶來(lái)的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和脆性斷裂等安全隱患，增加大型設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的安全可靠性性，且操作安全便捷。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明一種球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力控制方法，首先根據(jù)球形容器體積、壁厚和局部熱處理所需要受處理區(qū)域的面積，計(jì)算出圓形加熱區(qū)域的弧長(zhǎng)半徑，將選定的加熱器具放在受處理區(qū)域，進(jìn)行加熱?？梢圆捎脝蚊婕訜峄螂p面加熱。當(dāng)采用內(nèi)側(cè)單面加熱時(shí)，對(duì)應(yīng)的外側(cè)表面應(yīng)設(shè)置絕熱層；當(dāng)采用外側(cè)單面加熱時(shí)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)表面應(yīng)設(shè)置絕熱層。但無(wú)論單面加熱還是雙面加熱，加熱器具與空氣接觸表面均應(yīng)可靠絕熱。加熱面為圓形或近似圓形，受處理的區(qū)域應(yīng)位于加熱面中心。加熱過(guò)程中應(yīng)控制升溫速度，使不大于150℃/h。達(dá)到恒溫溫度并按預(yù)定恒溫時(shí)間恒溫處理后進(jìn)行冷卻；冷卻速度應(yīng)控制在升溫速度的50％以?xún)?nèi)，按照冷卻速度冷卻到300℃/h后，將絕熱層去除，熱處理結(jié)束。上述加熱器具包括遠(yuǎn)紅外電加熱板、履帶式電加熱板或火焰加熱。上述絕熱層厚度應(yīng)不小于100mm。采用火焰加熱時(shí)，加熱器具與空氣接觸表面不加絕熱層。
球形容器局部熱處理的加熱面應(yīng)當(dāng)為圓形或近似圓形。受處理的區(qū)域，包括補(bǔ)焊區(qū)域及其熱影響區(qū)應(yīng)當(dāng)位于加熱面的中心。加熱器具包括遠(yuǎn)紅外加熱板、履帶式電加熱板或火焰加熱，加熱器具應(yīng)位于受處理區(qū)域的同側(cè)、外側(cè)或內(nèi)外兩側(cè)同時(shí)加熱。按照不同的殘余熱應(yīng)力期望水平，以母線(xiàn)弧長(zhǎng)表示的加熱區(qū)域半徑計(jì)算方法如下
上述計(jì)算方法的適用條件(1)恒溫溫度和恒溫時(shí)間應(yīng)符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和安全技術(shù)規(guī)范的規(guī)定。
(2)采用內(nèi)側(cè)單面加熱時(shí)，對(duì)應(yīng)的外側(cè)表面應(yīng)可靠絕熱；當(dāng)采用外側(cè)單面加熱時(shí)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)表面應(yīng)可靠絕熱。單面加熱和雙面加熱均允許，但加熱器具與空氣接觸表面應(yīng)可靠絕熱。
(3)超出圓形加熱區(qū)域之外，應(yīng)設(shè)置環(huán)形絕熱區(qū)域，以防止過(guò)大溫度梯度帶來(lái)的不良影響。環(huán)形絕熱區(qū)域的寬度應(yīng)不小于加熱區(qū)域弧長(zhǎng)半徑的50％。環(huán)形絕熱區(qū)域可以和圓形絕熱區(qū)域統(tǒng)一設(shè)置。絕熱層厚度應(yīng)不小于100mm。
(4)升溫速度應(yīng)不大于150℃/h，冷卻速度應(yīng)控制在升溫速度的50％以?xún)?nèi)。
(5)當(dāng)需要熱處理的區(qū)域超過(guò)加熱區(qū)域的50％時(shí)(按弧長(zhǎng)計(jì))，應(yīng)至少將超出部分的弧長(zhǎng)等量擴(kuò)大加熱區(qū)域半徑。
(6)應(yīng)在需要熱處理區(qū)域的內(nèi)側(cè)和外側(cè)各至少設(shè)置兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，置于中心和熱處理區(qū)域外緣，作為調(diào)整熱輸入的反饋參數(shù)。但當(dāng)熱處理區(qū)域較大時(shí)，應(yīng)在外緣增設(shè)測(cè)溫點(diǎn)。
如果不能確定期望的殘余應(yīng)力水平，宜按照10％屈服應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)選擇加熱區(qū)域半徑。
本發(fā)明采用較大的加熱和絕熱面積，熱處理區(qū)域冷卻速度會(huì)隨著金屬溫度的降低而明顯減慢。為了提高工作效率，當(dāng)熱處理區(qū)域溫度下降到300℃以下時(shí)，可以將絕熱層去除，以縮短工時(shí)。
下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
對(duì)一臺(tái)1000m3(內(nèi)半徑R為6204mm)、壁厚t為40mm的球形容器，若存在120mm長(zhǎng)的補(bǔ)焊焊縫，則熱處理區(qū)域直徑為120+40×2＝200mm。球形容器材料為16MnR，常溫屈服極限為307MPa，以屈服極限的40％(即122.8MPa)作為熱處理區(qū)域平均殘余熱應(yīng)力的期望值，則加熱區(qū)域半弧長(zhǎng)為2.10Rt=1064mm.]]>由于需要熱處理的區(qū)域弧長(zhǎng)半徑(100mm)小于加熱半弧長(zhǎng)的50％，因此不需要增加加熱面。將圓形加熱器具置于內(nèi)側(cè)表面，取環(huán)形絕熱區(qū)域?qū)挾葹?000mm、恒溫溫度為600℃、恒溫時(shí)間為2h進(jìn)行局部熱處理，熱處理過(guò)程中將加熱速度控制在100℃/h、冷卻速度控制在50℃/h，得到的熱處理區(qū)域內(nèi)表面殘余熱應(yīng)力為123.4MPa，可見(jiàn)非常接近期望值(122.8MPa)。這時(shí)，熱處理區(qū)域外表面殘余熱應(yīng)力為87.9MPa。
權(quán)利要求
1.一種球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力控制方法，其特征是，首先根據(jù)球形容器體積、壁厚和局部熱處理所需要受處理區(qū)域的面積，計(jì)算出圓形加熱區(qū)域的弧長(zhǎng)半徑，將選定的加熱器具放在受處理區(qū)域，進(jìn)行加熱，采用單面加熱或雙面加熱，當(dāng)采用內(nèi)側(cè)單面加熱時(shí)，對(duì)應(yīng)的外側(cè)表面應(yīng)設(shè)置絕熱層；當(dāng)采用外側(cè)單面加熱時(shí)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)表面應(yīng)設(shè)置絕熱層，但無(wú)論單面加熱還是雙面加熱，加熱器具與空氣接觸表面均應(yīng)可靠絕熱，加熱面為圓形或近似圓形，受處理的區(qū)域應(yīng)位于加熱面中心，加熱過(guò)程中應(yīng)控制升溫速度，使不大于150℃/h。達(dá)到恒溫溫度并按預(yù)定恒溫時(shí)間恒溫處理后進(jìn)行冷卻；冷卻速度應(yīng)控制在升溫速度的50％以?xún)?nèi)，按照冷卻速度冷卻到300℃/h后，將絕熱層去除，熱處理結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力控制方法，其特征是，根據(jù)球形容器的體積、壁厚和和局部熱處理所需要受處理區(qū)域的面積，按照不同的殘余熱應(yīng)力期望水平，計(jì)算出合適的加熱區(qū)域弧長(zhǎng)半徑，當(dāng)期望的殘余熱應(yīng)力為材料常溫屈服極限的40％、30％、20％、10％、5％、～0％時(shí)，對(duì)應(yīng)的加熱區(qū)域弧長(zhǎng)半徑計(jì)算公式分別為 可以通過(guò)線(xiàn)性插值來(lái)計(jì)算中間應(yīng)力水平所對(duì)應(yīng)的加熱區(qū)域半徑，當(dāng)需要熱處理的區(qū)域按弧長(zhǎng)計(jì)超過(guò)加熱區(qū)域的50％時(shí)，應(yīng)至少將超出部分的弧長(zhǎng)等量擴(kuò)大加熱區(qū)域半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力控制方法，其特征是，上述加熱器具包括遠(yuǎn)紅外電加熱板、履帶式電加熱板或火焰加熱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力控制方法，其特征是，上述絕熱層厚度應(yīng)不小于100mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力控制方法，其特征是，采用火焰加熱時(shí)，加熱器具與空氣接觸表面不加絕熱層。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力控制方法，首先根據(jù)球形容器體積、壁厚和局部熱處理所需受處理區(qū)域的面積，計(jì)算出圓形加熱區(qū)域的弧長(zhǎng)半徑，將加熱器具放在受處理區(qū)域進(jìn)行加熱；采用單面加熱或雙面加熱，并設(shè)置絕熱層；控制升溫速度不大于150℃/h；達(dá)到恒溫溫度并按預(yù)定恒溫時(shí)間恒溫處理后進(jìn)行冷卻；冷卻速度應(yīng)控制在升溫速度的50％以?xún)?nèi)，按照冷卻速度冷卻到300℃/h后將絕熱層去除。本發(fā)明解決了長(zhǎng)期困擾球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力控制問(wèn)題，按照不同的需要，將球形容器局部熱處理造成的殘余熱應(yīng)力控制在從屈服應(yīng)力的40％到接近于零水平，避免應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和脆性斷裂等安全隱患，增加大型設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的安全可靠性性，操作安全便捷。
文檔編號(hào)C21D11/00GK1834268SQ20061001321
公開(kāi)日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月27日
發(fā)明者王澤軍, 胡津康, 楊念慈, 蕭艷彤, 牛衛(wèi)飛, 劉宏臣, 陸金明 申請(qǐng)人:天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院