專利名稱：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。在使用過程中，球形容器經(jīng)常出現(xiàn)裂紋等危險性缺陷，需進行焊接修復(fù)。由于焊接過程的固有特點，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，補焊帶來的殘余應(yīng)力通常會達到材料的屈服極限，對設(shè)備安全運行構(gòu)成潛在威脅。因此需要進行熱處理來消除焊接殘余應(yīng)力。工程中通常采用局部熱處理方式消除補焊帶來的殘余應(yīng)力，在D.拉達伊著，熊第京等譯的《焊接熱效應(yīng)溫度場、殘余應(yīng)力、變形》(機械工業(yè)出版社，1997年7月第1版)中認為，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。張亦良等通過采用X射線衍射方法，對比測試了一臺2000m3球形容器局部熱處理前后8個測點的殘余應(yīng)力，表明熱處理之后各點平均應(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，試驗力學(xué)，2001，16(3)276-282)。張亦良等通過對一臺1500m3球形容器兩種不同的局部熱處理方法測試結(jié)果的差異，得出局部補焊后小范圍矩形加熱熱處理后(加熱范圍400×600mm)，殘余應(yīng)力仍然接近或達到材料的屈服極限，說明局部熱處理沒有起到作用；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，通過局部熱處理來消除焊接殘余應(yīng)力還沒有達到令人滿意的效果。
美國《ASME鍋爐壓力容器規(guī)范》第VIII卷的三個分卷中公開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)超出補焊區(qū)域一個板厚與2英寸(51mm)中的較小值。這里“熱透區(qū)域”指溫度達到或超過規(guī)定恒溫溫度的金屬區(qū)間。由于在局部熱處理過程中“熱透區(qū)域”不能簡單地認為是局部加熱區(qū)域，因此這種要求在工程中不容易應(yīng)用。從中發(fā)現(xiàn)即使完全滿足ASME的規(guī)定，殘余熱應(yīng)力仍可達到材料的屈服極限，這表明ASME的規(guī)定并不能指導(dǎo)工程實際。
我國相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范均沒有關(guān)于球形容器局部熱處理的規(guī)定。事實上目前國內(nèi)對球形容器局部熱處理的研究尚處于個案狀態(tài)，尚缺乏成熟的經(jīng)驗，也未進行系統(tǒng)研究。工程中局部熱處理效果評價一次就需要數(shù)萬元(通常30000元以上)，大多數(shù)用戶無力支付，使工藝參數(shù)選擇處于盲目狀態(tài)，無法保證熱處理的效果。
通常情況下，為了防止殘余應(yīng)力帶來的諸如應(yīng)力腐蝕開裂和脆性斷裂等嚴(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，開始大量采用低合金高強度鋼制造球形容器，而且隨著國際石油品質(zhì)的劣化，對殘余應(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程本身帶來的殘余熱應(yīng)力。在局部熱處理過程中，高溫區(qū)域產(chǎn)生的熱膨脹受到周圍冷金屬的強烈約束，不能自由擴展；同時高溫區(qū)域和常溫區(qū)域之間的溫度差距也會帶來很大的溫度梯度，這一切均會引起熱應(yīng)力。高溫下熱應(yīng)力一般會達到或超過對應(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，達到解決球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力問題的目的，將殘余熱應(yīng)力控制在期望水平上。
為了實現(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，計算出圓形加熱區(qū)域的弧長半徑，將選定的加熱器具放在受處理區(qū)域，進行加熱，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，對應(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，對應(yīng)的內(nèi)側(cè)表面應(yīng)設(shè)置絕熱層，但無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，加熱過程中應(yīng)控制升溫速度，使不大于150℃/h，達到恒溫溫度并按預(yù)定恒溫時間恒溫處理后進行冷卻；冷卻速度應(yīng)控制在升溫速度的50％以內(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，計算出合適的加熱區(qū)域弧長半徑，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，對應(yīng)的加熱區(qū)域弧長半徑計算公式分別為2.10Rt,2.22Rt,]]>2.36Rt,2.54Rt,2.64Rt,2.92Rt,]]>可以通過線性插值來計算中間應(yīng)力水平所對應(yīng)的加熱區(qū)域半徑。
上述加熱器具包括遠紅外電加熱板、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，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，從而避免由此帶來的應(yīng)力腐蝕開裂和脆性斷裂等安全隱患，增加大型設(shè)備連續(xù)運行的安全可靠性性，且操作安全便捷。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說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，計算出圓形加熱區(qū)域的弧長半徑，將選定的加熱器具放在受處理區(qū)域，進行加熱?？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，對應(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，對應(yīng)的內(nèi)側(cè)表面應(yīng)設(shè)置絕熱層。但無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。加熱過程中應(yīng)控制升溫速度，使不大于150℃/h。達到恒溫溫度并按預(yù)定恒溫時間恒溫處理后進行冷卻；冷卻速度應(yīng)控制在升溫速度的50％以內(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，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)同時加熱。按照不同的殘余熱應(yīng)力期望水平，以母線弧長表示的加熱區(qū)域半徑計算方法如下
上述計算方法的適用條件(1)恒溫溫度和恒溫時間應(yīng)符合相關(guān)國家標(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，對應(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，對應(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，以防止過大溫度梯度帶來的不良影響。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％以內(nèi)。
(5)當(dāng)需要熱處理的區(qū)域超過加熱區(qū)域的50％時(按弧長計)，應(yīng)至少將超出部分的弧長等量擴大加熱區(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)置兩個測溫點，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，應(yīng)在外緣增設(shè)測溫點。
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，可以將絕熱層去除，以縮短工時。
下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
對一臺1000m3(內(nèi)半徑R為6204mm)、壁厚t為40mm的球形容器，若存在120mm長的補焊焊縫，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)域半弧長為2.10Rt=1064mm.]]>由于需要熱處理的區(qū)域弧長半徑(100mm)小于加熱半弧長的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℃、恒溫時間為2h進行局部熱處理，熱處理過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，可見非常接近期望值(122.8MPa)。這時，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，計算出圓形加熱區(qū)域的弧長半徑，將選定的加熱器具放在受處理區(qū)域，進行加熱，采用單面加熱或雙面加熱，當(dāng)采用內(nèi)側(cè)單面加熱時，對應(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，對應(yīng)的內(nèi)側(cè)表面應(yīng)設(shè)置絕熱層，但無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，加熱過程中應(yīng)控制升溫速度，使不大于150℃/h。達到恒溫溫度并按預(yù)定恒溫時間恒溫處理后進行冷卻；冷卻速度應(yīng)控制在升溫速度的50％以內(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，計算出合適的加熱區(qū)域弧長半徑，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，對應(yīng)的加熱區(qū)域弧長半徑計算公式分別為 可以通過線性插值來計算中間應(yīng)力水平所對應(yīng)的加熱區(qū)域半徑，當(dāng)需要熱處理的區(qū)域按弧長計超過加熱區(qū)域的50％時，應(yīng)至少將超出部分的弧長等量擴大加熱區(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，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，計算出圓形加熱區(qū)域的弧長半徑，將加熱器具放在受處理區(qū)域進行加熱；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；達到恒溫溫度并按預(yù)定恒溫時間恒溫處理后進行冷卻；冷卻速度應(yīng)控制在升溫速度的50％以內(nèi)，按照冷卻速度冷卻到300℃/h后將絕熱層去除。本發(fā)明解決了長期困擾球形容器局部熱處理殘余熱應(yīng)力控制問題，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)力腐蝕開裂和脆性斷裂等安全隱患，增加大型設(shè)備連續(xù)運行的安全可靠性性，操作安全便捷。
文檔編號C21D11/00GK1834268SQ20061001321
公開日2006年9月20日 申請日期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 申請人:天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院