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球形储罐整体热处理施工

1、前言
球形储罐是一种受焊接约束较大的压力容器，焊后消除应力是非常重要的。为了消除焊接残余应力，在球罐组焊、无损检测等各项工作全部完成后，需要对球罐进行热处理。热处理方法为电加热法和燃烧法。
我公司有20余年球罐安装历史，在200多台球罐的安装过程中积累了丰富的现场热处理经验。通过多年内燃法整体热处理球罐的探索，对球罐内燃法整体热处理进行了改进：采用双喷嘴加长明灯代替单喷嘴。

2、工程特点
陕西xx（集团）炼化项目xx炼化项目为陕西xx集团的重点项目。我单位施工的储运系统液化气罐区及泵棚43单元4台2000m3液化气球罐（43-T-05~08）制安工程为该项目的关键点。举例液化气球罐（43-T-08）参数如下：
容器名称
液化气罐
设计压力
1.625MPa
球壳材质
15MnNbR
壁 厚
42mm
容 积
2000m3
介 质
液化气
球罐位号
43-T-08
类 别
Ⅲ
球罐焊后，需进行整体热处理。热处理方法为，主要以内燃办法为主，在下极板适当敷设电加热器辅助加热。

3、内燃法热处理工艺原理
燃油内燃法，原理是以球罐本身为燃烧室，以压缩空气为雾化剂，以自然风作为助燃的二次风、三次风，用液化气作为点火材料，点燃装在球罐下极入孔上
处的两个高压喷嘴，将压缩空气送入喷嘴，气体喷出后将柴油雾化，同时调节油、风量使其在球罐内稳定的燃烧，烟气由装在上极人孔上带蝶阀的烟囱排出。这样喷嘴燃烧形成的热量就会以对流和辐射的方式使球罐壳体达到一定温度，此时钢材并不发生相变。在退火温度下钢的屈服强度大大降低，于是就发生金属蠕变，使焊缝附近的残余弹性变形转变为塑性变形，残余应力得以释放。较长时间的保温，有利于焊缝金属中氢的扩散。这样焊接残余应力得以消除，避免延迟裂纹和应力腐蚀裂纹的产生，提高球罐的使用性和安全性。
3.1球罐整体热处理：
3.1.1传统的霍克喷嘴内燃法整体热处理是使用单个喷嘴、单套供油、供风系统进行。工作时，柴油在压缩空气的带动下，通过霍克喷嘴喷射使燃料油雾化，并以高速喷出，通过两边的点火器点燃，高速的火焰流由下人孔进入球体，在球内靠对流和辐射来加热球体，由操作系统控制燃油，风压改变火焰的长度及燃烧过程，使球内的温度按热处理工艺卡规定的要求升降。
当热处理较大的球罐（如≥2000m3球罐）时，一般是更换较大型号的喷嘴，以满足球罐热处理的热工需求，其工艺缺点如下：
1 大型号喷嘴在工作时所匹配的工艺参数较大，如GD7×9的喷嘴其供风系统所需的风压值一般大于0.35MPa，热处理时较大的风压易吹灭点火器造成熄火，重新点燃后易出现喘振和回火现象，加大了安全风险，同时导致不必要的热损失。
2 当使用大型号喷嘴进行热处理时，其火焰长度虽然通过增加进风量可有限压缩，但火焰长度仍然较GD4.8×9的喷嘴火焰长约1/3，它会导致在热处理的恒温阶段罐体上下温差大于标准规定的≤50℃。常规的补救措施是在球罐的下极板增加一套电加热装置，以平衡罐体的上下温差。
3 较大一次风风压增加了二次风的进风量，因而加快了罐体内热气流与罐外
冷气流的对流速度，从而增大了热损耗，降低了燃油的热工效率。
3.1.2 双喷嘴内燃法工艺
1 在利用原有供油、供风系统的基础上（原有供油、供风系统的余量较大，一般均可满足双喷嘴的系统用量），将单喷嘴时的大供油、供风量改为双喷嘴，以较小的供油量以及较低的雾化空气压力，获得较短的火焰长度，以达到提高热处理质量的目的。
2 双喷嘴系统操作时燃油能充分燃烧，既能很好的控制热处理曲线，又能充分的利用燃油热值，在保证热处理质量的同时加大的降低了耗油量，提高了热处理的综合工效。双喷嘴提升温度的速度比单喷嘴提升温度的速度快20~30℃/h。
3设置长明灯（内部点燃器），保持长明灯不熄灭可及时处理反喷现象发生。保证热处理曲线的平滑。
4、适用范围
本法适用于现场组焊的各类球形储罐。

5、编制依据
⑴《球形储罐施工验收规范》GB50094-1998
⑵《钢制球形储罐》GB12337-1998
⑶《工业安装工程质量检验评定统一标准》GB50252-94
⑷设计图纸
⑸其他与本工程有关的安全操作规程、规范、规定等。

6、热处理工艺流程及操作要点
6.1工艺要求

升温速度50 ～80℃/h；恒温温度570±10℃；恒温2小时；降温速度30 ～50℃/h。300℃以下升降温速度可以不控制；300℃以上升温和降温过程中，球壳表面上相邻两点的温差不得大于130℃。
6.2热处理工艺流程图
施工准备→燃烧、电加热→结果及数据分析。
6.2.1施工准备
6.2.1.1热处理装置：燃料油系统、压缩空气系统、测温系统组成。
⑴燃料油系统的轻柴油通过油泵加压后供给燃烧器喷嘴，被压缩空气雾化后由点火器引燃，在球罐内部燃烧，形成火球，对球体进行加热，见图6.2.1.1-1。

⑵压缩空气系统的压缩空气由空气压缩机供给，压力控制在0.05~0.08MPa，压缩空气在燃烧器喷嘴内将轻柴油雾化。
⑶测温系统由热电偶和打点记录仪组成，测温用的热电偶用螺栓固定于球壳外表面上，见图6.2.1.1-2。

固定测温热电偶用的开槽螺母焊接在球壳外表面上，焊接要符合球罐焊接规范，热处理后清除开槽螺母，用砂轮机打磨球壳外表面。
6.2.1.2均温措施：为减少热处理过程中的温度波动，在球罐内部用钢筋、铁丝网、硅酸铝软毡（耐高温在1000℃以上）做一个直径为4m的伞罩，见图6.2.1.2-1。吊挂在距下人孔D内/3m=5m左右位置，使火焰分布更均匀。

6.2.1.3保温措施
⑴保温材料选用被状无碱超细玻璃棉，厚度不小于50mm。
⑵为防止热量散失，球壳外表面铺设两层无碱超细玻璃棉。其铺设方法是：①将带有保温钉的钢带固定在球壳外表面上，由下而上将保温棉铺挂在保温钉上，分内外两层铺设；②保温棉总厚度不小于100mm，内外层接缝相互错开200mm~300mm；③每一保温层中，相邻两保温被之间搭接100mm左右；④保温棉与球壳壁贴紧，局部间隙不大于20mm，外层用20#铁丝网捆住，用钢包扎带扎紧；⑤球罐上的接管、连接板及球罐支柱均应进行保温（支柱与球壳连接焊缝下端1m范围内的支柱要进行保温），热处理过程中保温棉不得松动、脱落；⑥保温棉应保持干燥不得受潮，保温棉铺设后短期内即进行热处理。
⑶测温点布置
球罐体积不同，测温点布置不同，测温点数不等，测温点总数不少于表1规定的数量。
表1 测温点数
球罐容积
（m3）
50
120
200
400
650
1000
2000
≥4000
测温点数
8
8
12
12
12
16
24
36
各测温点间距不大于4.5m，各点在球壳表面均匀分布。杨庄河炼化项目4台2000m3液化气球罐热处理过程中，为保证测温数据精确，测温点总数定为24点，其中赤道带上6点，上温带8点，下温带8点，上下人孔附近各1点；产品焊接试板与球壳紧贴，放置在热处理高温区外侧，产品焊接试板上布置一个测温点。测温点布置图见图6.2.1.3-1

将热电偶测温端固定在球壳外表面，以提高测温的准确性。热电偶安装时要避开固定保温棉用的铁丝网，以免影响测温效果。
热电偶型号（EU-2 1.5）L=1000mm，补偿线EU-2（屏蔽线）
测温范围 0~800℃
⑷热处理前将球罐地脚螺栓和支柱拉杆松开，使球罐处于自由膨胀状态。球罐柱
腿就位前，在球罐基础表面上涂一层3mm~5mm后的黄油，以减少球罐位移时的摩擦阻力。
在热处理过程中，在柱脚两侧安装千斤顶来调整位移量，以保证支柱的垂直度；根据理论与实测量及时作出调整，以免由于外力作用而造成塑性变形；温度每变化100℃调整一次，并做好记录。
柱脚位移量计算公式S=R×a×t
式中，S为每个柱脚位移量，mm；R为球罐半径，mm；a为15MnNbR钢的线胀系数：a=11.8×10-6/℃；t为温度变化值，℃。
按上述公式计算，2000m3球罐柱脚最大位移量为51mm。
6.3燃烧
工作时，柴油在压缩空气的带动下，通过霍克喷嘴喷射燃油料雾化，并以超音速喷出，通过两边的四个点燃起点燃，高速的火焰流有下人孔进入球体，在球内靠对流和辐射来加热球体，由操作系统控制燃油、风压改变火焰的长度及燃烧过程，使球内的温度按规定的要求升降。其具体操作如下：
6.3.1 点火阶段
点火前，先向罐内送风，清扫罐内原有的气体和灰尘。点着外部点火器后，打开内风筒内点燃器阀门，用外部点火器点着内部点燃器（长明灯）。这时调整喷嘴压缩空气压强0.2~0.3MPa。正常后，启动油泵，打开流量计，油的流量为60~120l/h，喷出的油即被雾化。点燃后，再根据升温速度逐渐加大风压与油量。
6.3.2 预热阶段（常温~100℃）
此时风压P在0.73~0.97MPa左右，供油量Q在287.7~384.9l/h左右，点火后，开始火焰不要太大，应随温度的增加而加大火焰。
6.3.3 低速升温阶段（100~200℃）

此时风压P在0.83~1.11MPa左右，供油量Q控制在329.8~439.9l/h左右。
6.3.4 中速升温阶段（200~300℃）
此时控制风油配比，使风压P在0.96~1.27MPa左右，供油量Q控制在378.3~502.5l/h左右。
6.3.5 高速升温阶段（300~450℃）
此时应加大风油配比，使风压P在1.13~1.49MPa左右，供油量Q控制在446.3~588.9l/h左右，使升温速度在50~80℃/h范围内。
6.3.6准备拉平温差阶段（450~550℃）
此时准备减慢升温速度，加强火焰对下半球的热辐射，以缩小温差，风压P在1.37~1.80MPa左右，供油量Q控制在542.5~711.9l/h左右。
6.3.7拉平温差阶段（450~550℃）
此时各部温度应均匀上升，风压P在1.67~2.18MPa左右，供油量Q在659.5~863.5l/h左右。
6.3.8恒温阶段（570±10℃）
此时恒温阶段时间为2小时，使风压P保持在0.16MPa左右，供油量Q控制在63.2l/h左右。
6.3.9冷却阶段（570~300℃）
在此阶段应熄火保持冷却速度在30~50℃/h；当温度低于300℃以下时，可以拆掉保温层，空冷降至常温，取出试板。
6.4电加热
用燃烧法热处理时，用电加热片对球罐下极板进行加热，弥补对流和辐射加热下极板能力偏弱的影响。

7、效益分析
7.1 采用双喷嘴内燃法工艺与单喷嘴内燃法比较：
1）耗油
双喷嘴内燃法油耗：4.5~5.2 t /台（20＃柴油）；
单喷嘴内燃法油耗：6 t /台 （20＃柴油）；
单台节约燃油费用合计：（6 t-5.2 t）×7517元/t＝6014元。
2）节省时间
双喷嘴内燃法升温-恒温-降温耗时：16h；
单喷嘴内燃法升温-恒温-降温耗时：20h；
单台节省时间：4h；
节省人工费：0.5天×23人×300元=3450元；
节省机械费：0.5天×2000元=1000元。
单台2000m3球罐热处理采用双喷嘴内燃法工艺比采用单喷嘴内燃法工艺节省费用：6014+3450+1000=10464元。

8、质量控制
8.1工程质量控制标准
8.1.1施工质量执行《球形储罐施工验收规范》GB50094-1998，《钢制球形储罐》GB12337- 98，设计图纸。
8.1.2质量保证技术措施
8.1.2.1人员方面
针对职工，每日上岗前，由班长进行质量教育，严格执行工艺。建立质量保证体系，积极贯彻三检，体系责任人员必须进行现场质量监督，发现问题及时
进行处理。
8.1.2.2机具方面
针对各种仪表及电气设备必须在检定合格证有效期内使用，并按照操作规程执行，同时做好机械运转记录，发现问题及时处理。
8.1.2.3材料方面
正对各种材料，严格妥善保管，尤其是保温材料，做好防潮措施。现场应该做到工完料清。
8.1.2.4方法方面
根据工艺严格按照规程执行。
8.1.2.5环境方面
交叉作业，密切注意周围环境，禁止无关人员触动热处理机具及材料；同时，密切注意天气情况，做好防雨、雪措施。
8.1.2.6严格按方案实施。

9、安全控制
9.1安全用火方面
9.1.1点火前应清理罐内外及上下人孔附近易燃易爆物品。
9.1.2对所有用的燃油设备、附件管路等跑、冒、滴、漏现象做一次严格的检查，并进行一次实验操作至确认无误后方可进行正式操作。
9.1.3液化气罐要有专人操作，操作人员应定岗定位。
9.1.4液化气罐应保证距火源10米距离，距罐附近不得有可燃物，柴油储罐与此相同。
9.1.5经甲乙双方确认无问题并正式办理动火手续，方可动火；同时现场的防火
安排情况应由有关部门同意。
9.1.6点火时，严禁将头部直接伸入人孔下方，应单臂侧身用点火器点燃点燃器，点火器在整个燃油期间不得熄灭，以便随时处理反喷现象；遇有反喷现象应快速重新点燃；如不能及时点燃，应先关闭柴油阀门，然后关闭液化气阀门，并加大风压以吹除罐内的液化气，同时对罐内外的柴油、液化气等进行清理。
9.1.7为防止油量过大造成反喷，破坏正常循环，应在调节风油压时缓慢调节阀门，观察压力表数值和火焰燃烧情况。
9.1.8在热处理球罐周围应配备适当数量的泡沫或干粉灭火器。
9.2安全用电方面
9.2.1室外电缆、电源线不准拖地敷设，必须架空敷设，其接头必须连接绝缘良好。
9.2.2加热器应完好，电阻带不应有断头、断股现象，瓷管、套管不能有破损、松动现象。
9.2.3加热器引出线接头应该良好，不得与罐壁相接，以防短路。
9.2.4停送电由有关人员统一操作，操作时应设置监护人；加热区周围区域应设立警戒区，并挂“有电危险”标志牌，禁止无关人员进入施工现场。
9.2.5送电前，进行技术、安全交底，经有关人员检查无误后，方可送电加热。
9.2.6小型电动工具使用时，必须接至触电保护器下次侧使用，以防意外事故发生。
9.3防高处坠落方面
9.3.1根据人员身体状况、适当安排人员；针对患有高血压及老年体弱、疲劳过度、视力不佳、行动不便人员，不应允许其登高作业。
9.3.2登高作业人员思想应集中，严禁打闹。

9.3.3使用具有试验合格标记的安全带、安全帽等防护用品，并应正确佩挂。
9.3.4登高前，安全专职人员严格按照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2001的要求检查马道和操作平台，合格后方可允许使用。
9.4防物体打击方面
9.4.1进入现场，应做好三保利用。
9.4.2严禁上下扔送工具、边角余料等。
9.4.3交叉作业时，应该注意周围环境，以防意外事故发生。
9.5其他
9.5.1热处理工除执行本工种安全操作规程外，还必须执行安装电工、维护电工、检修电工的安全操作规程。
9.5.2执行时，如有特殊情况，应向有关人员反映，采取措施，及时处理。
9.5.3在热处理过程中，热处理人员和防火人员严禁离开岗位，热处理结束后方可离开现场。

10、环保措施：
10.1现场卫生与环保措施
10.1.1施工现场应设有厕所，厕所有贮粪池及冲洗水源，并有专人管理，定期打药、冲洗，保持清洁。
10.1.2现场办公室、宿舍应通风、明亮、干燥，设有卫生值日，以保持环境清洁。办公室外及生活区周围道路路侧应有垃圾桶，并应定期清倒。
10.1.3保证职工的饮水卫生并及时供应。
10.1.4现场备有医疗急救药品，项目部安质部门应与现场附近的医疗救护中心保持密切联系，以保证生病和工伤人员及时得到治疗。
10.1.5危险品、化学品、放射性物质应按有关规定保管存放，并采取必要的隔离措施，设置安全警告标志。
10.1.6现场生活垃圾、建筑垃圾及其它废弃物品应每天定时清理，可在利用的材料应进行分类回收，保持现场文明、清洁。
10.1.7施工使用过的废油、废弃化学物品应按当地环保部门指定的方式和地点排放，严禁就地倾倒。
10.1.8生产和生活污水应设置排水沟排至当地正式的排水系统中。
10.1.9建筑垃圾、生活垃圾外运时，应按当地环保部门指定的时间、路线运输，并运至指定地点堆弃，运输车辆应封闭良好，确保运输道路的清洁卫生。
10.1.10为减少施工噪音对周围环境的影响，应尽量避免在夜间施工。如夜间需加班时，施工机械应选用一些噪音比较小的设备，如焊接时，由于直流电焊机噪音比较大，因此本工程焊接时采用噪音比较小的硅整流电焊机，而不采用直流电焊机。禁止车辆鸣放喇叭。
10.1.11球罐顶部人孔应设一抽风机，以保证罐内通风良好和罐内施工作业环境。

11、主要资源计划
（一）、主要人员计划
序号
职务及工种
数量
1
管理人员
5
2
热处理工
6
3
电工
4
4
起重工
2
5
力工
6
（二）、主要材料计划（一台球罐计）
序号
材料名称
材料规格
单位
数量
备注
1
电缆
YC3*185+1*50
m
200

YC3*95+1*35
m
150

YC3*4+1*1.5
m
50

YC2*2.+1*1
m
600

2
加热器
HN1000*400*90
片
40

3
螺栓
M16
套
30

M12
套
50
带平垫

M10
套
100

M8
套
100

4
铁丝
16#
Kg
100

8#
Kg
4000

5
角钢
∠70×70×7
Kg
300

6
扁钢
40×4
Kg
600

25×4
Kg
50

7
铜线鼻子
185mm2
个
20

120mm2
个
30

8
硅酸铝保温棉

Kg
4000

9
超细玻璃丝棉

Kg
9500

10
钻头
φ13.5
支
10

φ10.5
支
10

φ6.5
支
10

11
黑胶布

卷
40

12
热电偶
EU-2 1.5
支
30

13
补偿导线
EU-2
m
800

14
橡皮胶布

卷
20

15
白胶布

卷
10

16
柴油
20#
Kg
5200

17
液化气
C4
Kg
800

18
电焊条
J422
Kg
50

（三）、主要机具（一台球罐计）
序号
机具名称
机具规格
单位
数量
备注
1
燃油设备

套
1

2
压缩机

台
1

3
控制室
6m*2.5m
间
2

4
电源控制柜
KG-1
台
1

PGL-21
台
3

5
触电保护器
DZ15LD-200/490
台
2

6
交流接触器
CJ-12 400A
台
2

7
测温仪表
HR-2400
台
1

8
钳形电流表
交流400A
块
2

9
万用表
MF-500
块
2

10
摇表
ZC-7
块
1

11
台钻
φ13.5mm
台
1

12
手电钻
φ13.5mm
台
1

13
电焊机
交直流6KW
台
1

14
砂切机

台
1

15
千斤顶

台
4

机械台班
9吨板
个
4

8吨吊
个
2