大型储罐罐壁开孔焊后热处理方法探讨.docx

摘  要
大型油罐开孔壁板在制作过程中由于焊缝比较集中，焊接变形不宜控制且很难矫形，因此以前主要是从国外引进。中国石化工程建设公司在大连西太平洋石油化工有限公司原油罐区总承包工程中，组织设计、施工等有关单位，并邀请科研、建设单位联合攻关研制。在油罐开孔壁板制作过程中，采取预变形措施、合理的焊接顺序、适宜的焊接方法和焊接规范及加固措施；焊后热处理时，工件由卧置改为立置。试验研制获得成功，开孔壁板几何尺寸和材料性能符合有关标准的要求。 关键词
油罐开孔壁板 预变形 焊接顺序 焊接规范 消除应力热处理 
1 前言
    近年来，我国建造了许多大型原油罐。由于油罐开孔壁板制作时的变形控制和焊后消除应力热处理有一定难度，所以都是花费大量的外汇由国外制作，并经焊后消除应力热处理后运回国内安装。
    为了发挥自己的技术专长、保证工期、节省费用和提高质量，中国石化工程建设公司将原油罐开孔壁板的制作和焊后消除应力热处理“国产化”。在大连西太平洋石油化工有限公司新增原油罐(容积为5×104m3和10×104m3各两具)制作安装的同时，进行试验研究，取得了成功。这个成果有很大的推广价值，今后可以不再依赖国外进口，由国内同行自行完成此项工作。大连西太平洋石化公司新增原油罐区工程由中国石化工程建设公司总承包，洛阳石化设计院设计。需要进行热处理的油罐开孔壁板共20块，其中5×104m3罐8块10×104m3罐12块，采用日本进口SPV490Q高强钢制作。
    为了开展研制工作，由中国石化工程建设公司组织科研、设计和施工单位成立了研制小组，编制、评审、修改技术方案，并委托北京燕化公司建筑安装工程公司实施。
    研制小组成立后，调查了北京燕山石化公司机械厂为日本出口配套制作的开孔壁板热处理情况；调研了日本为上海高桥石化公司10×104m3油罐制作的开孔壁板热处理报告；进行了焊接工艺试验。然后，编制了制作、焊接和热处理研制方案。在此基础上，中国石化工程建设公司组织召开了专家论证会，对研制组提出的研制方案进行了认真、细致的研讨，并确定了方案的可行性。
通过对国内外情况的调研了解到，油罐开孔壁板制作及焊后热处理须解决3个技术关键问题：
    a.控制焊接变形；
    b.消除焊缝的残余应力；
    c.保证壁板在焊后和热处理后的几何尺寸，达到技术规范的要求。
2 控制壁板几何尺寸和焊接变形
    壁板所采用的钢材为日本标准JISG3115材质SPV490Q-SR，其化学成分见表1；机械性能见表2。
             表1 钢板的化学成分 %
2。
             表1 钢板的化学成分 %

表2 钢板的力学性能

由于焊接和热处理引起的变形在壁板开孔部位很难控制，因此《中低压化工设备施工及验收规范》HGJ209-83规定，应在开孔补强板边缘100mm外位置测量几何尺寸。《钢制压力容器》GB150-98对容器壳体圆度要求：当被检断面位于开孔中心一倍开孔内径范围时，该断面最大内径与最小内径之差，应不大于该断面内径的1%与开孔内径的2%之和，且不大于25mm，而GBJ128-90对此未作规定。
    基于研制工作从严的原则，此次要求在开孔接管和补强圈范围之内任意位置进行测量，应满足GBJ128-90的要求，即用2m长样板测量，最大间隙不超过4mm，显然比压力容器的要求还严。
    油罐开孔壁板几何尺寸的控制，主要是控制壁板的曲率。必须控制好卷板、开孔、接管组对的质量，采取有效的矫正焊接变形的预变形措施，并减少组装和焊接应力，使开孔壁板焊后的各项指标达到或优于施工验收规范的规定。
    在制作时采用的预变形措施是，组焊时开孔部位的曲率应略大于焊后和热处理后的允许值，按壁板厚度和开孔尺寸而定，以便在焊后和热处理后因残余应力引起的回弹得到补偿。
    为此，壁板滚弧前两端压头，经样板检查合格后再滚弧。滚弧时用2m长样板检查曲率，其间隙不大于2mm为合格(规范规定不大于4mm)；用１m长直尺检查壁板平整度，其间隙不大于1mm为合格。滚弧后，将壁板开孔并加工坡口，开孔中心位置偏差不得大于10mm。组对接管时，先用吊车将壁板两端轻轻吊起，用2m长样板检查开孔边缘的曲率，使样板中部与壁板间留出适当间隙——板厚32.5mm时为3mm，板厚22mm时为6mm(不允许样板两端留有间隙)。此时，进行接管组对和焊接变形加固板的组对焊接，加固板焊接完毕后，再进行接管、补强圈的焊接。
3 开孔壁板的焊接
    接管与开孔板壁板的焊接，应考虑保证焊接质量(全焊透工艺)和控制焊接变形，包括壁板与接管、壁板与补强圈等。
    SPV490Q为低合金高强钢，其碳当量为0.45，可焊性稍差，有一定的裂纹倾向。因此，在实施控制焊接变形措施时，应考虑防止裂纹产生的措施。
    控制焊接变形需在两个阶段进行，壁板与接管焊接过程和热处理过程。
    焊接过程的关键在于热输入量和焊接顺序减少热输入量(例如采用小规范的气体保护焊)可以减少焊接应力，从而减少壁板变形；合理的焊接顺序，可以利用焊接顺序调整焊接变形的大小和方向，从而控制焊接的总变形量和方向。
    热处理过程应考虑在消除应力热处理后，残余应力对壁板变形的影响。残余应力的大小，除了与热处理规范的实施工艺有关外，还受壁板在炉内放置方式(卧置或竖置)的影响，此时应考虑壁板自重和固定架受热变形对壁板变形的影响。
    接管与开孔壁板的焊缝结构如图1所示。

图１ 焊缝结构
   其中，壁板与补强圈材料为SPV490Q，其余材料为16mnR，20号，Q235等。为了减少焊接时的热输入量，采用二氧化碳气体保护焊，以便减少焊接变形。焊接时选用mG-60(JIS)1.2焊丝，这种焊丝的化学成分见表3。
          表3 熔敷金属的化学成分 %
图１ 焊缝结构
   其中，壁板与补强圈材料为SPV490Q，其余材料为16mnR，20号，Q235等。为了减少焊接时的热输入量，采用二氧化碳气体保护焊，以便减少焊接变形。焊接时选用mG-60(JIS)1.2焊丝，这种焊丝的化学成分见表3。
          表3 熔敷金属的化学成分 %