1、超限设备空中承载焊缝不加固热处理施工技术李丽红 卫波 舒培亮 谢婧 孙长河作者单位全称：陕西化建工程有限责任公司 地址：陕西省杨凌示范区新桥北路 2 号邮编：712100【摘要】随着石化装置大型化、模块化、自动化的快速发展，超限设备空中组对工艺与整体吊装工艺相比既可以缓解现场平面布置的压力，又可以降低吊车的参数级别，但是，对于空中焊缝的热处理由于受加热温度、恒温时间、焊缝上部设备重量、风载等因素的影响，在焊缝处势必会产生高温应力引起筒体变形。我公司通过材料高温试验掌握的数据，在丙烯精馏塔空中热处理焊缝未加固的前提下，落实针对性的安全技术措施，保证了焊缝的热处理质量，有力的验证了本工艺的可行性，
2、值得在同行业推广应用。【关键词】承载焊缝 高温应力 高温蠕变 空中热处理1 工程概况某现场 60 万吨/年甲醇制烯烃项目中有 2 台丙烯精馏塔，根据场地布置以及吊装机械配置情况，采用分段吊装，空中组焊的施工工艺。按照图纸要求塔器现场组焊的环焊缝需要在高空进行局部消除应力热处理。此时，随塔的平台、附塔管线已经安装，吊车已经撤离，其中 1 号丙烯塔焊缝上部最大重量为 352t，热处理温度为 60025 ，为了保证塔体在热处理高温过程中不失稳，我们在材料高温力学试验、蠕变试验等科学数据的支持下，焊缝采用未加固工艺成功的进行了热处理。本工艺相对于大型设备地面组对热处理以及焊缝空中加固热处理工艺，经济效
3、益可观，值得在用行业推广。1.1 主要技术条件详见下表1.2 环缝热处理工艺要求设备名称 材质 壁厚 升温速度 /h 恒温区间 恒温时间 min 降温速度 /h丙烯精馏塔NO.1 Q345R/正火 42 80120 60025 120 55120丙烯精馏塔NO.2 Q345R/正火 40 80120 60025 120 55120备注 400以下升降温可不控制其速度。2、塔体稳定性核算根据两台塔四条焊缝分布情况，以最危险 T4007 下部17.13 米处截面环缝所受应力进行分析。此时，塔筒体整体重量为 480t，17.13 米以上塔体重量为 352t，梯子平台附塔管线 18t。根据相关文献，分
4、析截面所受的应力包括塔体自重压应力、风载产生的弯矩应力、平台管线产生的偏载压应力、热处理时温度形变应力以及橫风向共振应力。由于热处理过程中，橫风向共振应力产生的条件是塔顶风速为 19m/s，可以择日避开，温度梯度模拟困难，且属于二次应力范围，故只考虑前三个应力对塔的稳定性校核。2.1 已知：塔筒体重量为 m0=480103kg，上段塔体m1=352103kg，偏心载荷 me=1.8104kg（包括平台、梯子、附塔管线、上部支撑在平台的脚手架重量） ；Di=5200mm，e=42mm，h=80.29m；吉林地区基本风压为序号 设备名称 位号 壳体材质 规格（mm） 环缝数量 环缝位置1 丙烯精馏
5、塔 NO.1 T-4007 Q345R/正火 52008029042 2 EL17.130EL48.2302 丙烯精馏塔 NO.2 T-4008 Q345R/正火 52007836040 2 EL27.660EL57.030590N/（设计图纸给定）2.2 塔体受风载产生的弯应力计算2.2.1 塔的自振周期：（依据 NB 47041）3103.90ioceDEHmT其中 H=80.29m，mo=48010 3kg，E=197GN/(按照图纸给定设计温度为 90 度以 197 GN/ 计算，实际热处理时为环境温度 200 GN/)，e=42mm，Di=5200mm，则Tc=1.32s2.2.2
6、风载计算1)塔体高度 80.29 米，从危险截面 17 米以上按每 10米一段进行取定计算计算高度 17 米 20 米 30 米 40 米 50 米 60 米 70 米 80 米 计算依据高度变化系数 f1 1.18 1.25 1.42 1.56 1.67 1.77 1.86 1.95 计算高度查 NB47041 表 10脉动增加系数B 类场地2.54 2.54 2.54 2.54 2.54 2.54 2.54 2.54 q1T12=5901.32*1.32=1028NS2/m2NB47041 表 11脉动影响系数 V1 0.77 0.79 0.83 0.85 0.87 0.88 0.89 0
7、.89 计算高度查 NB47041 表 12振型系数 zi 0.068 0.1 0.21 0.34 0.49 0.69 0.84 1 相对高度查 NB47041 表 13风振系数 K2i 1.11 1.16 1.31 1.47 1.65 1.87 2.02 2.16 1+Vizi/fi塔体各段风载 Pi 计算：Pi=k1k2iq0filiDei10-6P1=0.71.115901.18175.2=4.8104NP2=0.71.165901.2535.2=9.3103NP3=0.71.315901.42105.2=4104NP4=0.71.475901.56105.2=4.93104NP5=0.
8、71.655901.67105.2=5.92104NP6=0.71.875901.77105.2=7.11104NP7=0.72.025901.86105.2=8.07104NP8=0.72.165901.95105.2=9.05104N2)危险截面风载荷产生的弯矩由每一段弯矩当量到危险截面 17.13 米：M=1.5P2+8P3+18P4+28P5+38P6+48P7+58P8=1.59.3103N+84104N+184.93104N+285.92104N+387.11104N +488.07104N+589.05104N=1.47107 NM2.2.3 偏心载荷引起的弯矩Me=mege=
9、18*1000 公斤*9.8*3.5 米=6.1710 5NM2.2.4 危险截面最大弯矩如果风弯矩与偏心载荷的弯矩方向一致，则产生最大弯矩。反之，则产生最小弯矩。Mmax=1.47107NM+6.17105NM=1.53107 NM2.2.5 筒体焊缝 600时的应力校核：1）重力引起的周向压应力：1=mg/AEL17.130 处 1=mg/A=352 *1000 Kg *9.8N/Kg/0.691m2=4.99MPa2)弯矩引起的轴向压应力:2=Mmax/Z塔体有效厚度 ei=42mm抗弯截面系数：Z=Di 2ei/4=8.9910 8mm3最大弯矩引起的轴向应力2=Mmax/Z=1.53
10、10 7 NM/8.98108mm3=17MPa3)塔体危险断面 17.13 米的组合最大应力为 组合=1+2=21.99MPa2.2.6 Q345R 在 600时的许用应力测定查阅相关标准， Q345R 在 600时的许用应力、弹性模量无显示。公司委托电力工业热力发电设备及材料质量检验测试中心进行高温力学性能试验、金相分析、持久试验，结论如下：1）Q345R 在 600时拉伸许用应力取三组试件分别进行 600拉伸试验，其屈服强度分别为 192Mpa、190Mpa、186Mpa，根据其最低强度计算 Q345R在 600时的需用应力为【】=186/1.5=124Mpa2）Q345R 在 600时
11、弹性模量根据试验数据得出 Q345R 在 600时弹性模量E=1.1106 Mpa3)由 Q345R 在 600时弹性模量,得出其 600的许用压应力约为：【】 压 =【】 100 E600 /E100 =181110/197=101.06 Mpa 组合4）Q345R 在 600情况下，分别作用25Mpa、35Mpa、45Mpa 拉应力 4 小时，试件未断，且焊缝所受的压应力小于许用压应力，说明材料能够承受 2 小时高温热处理。5）Q345R 热处理前后金相分析分别对 Q345R 原材料试件、600热处理后的试件、热处理承载后试件进行金相分析发现，均是铁素体+珠光体带状组织，晶粒度为 7-8
12、级，无明显碳化及组织改变。6）Q345R 热处理温度应力分析2.2.7 应力考核 组合=1+2=21.99MPa= 124Mpa 且: 组合=1+2=21.99MPa【】 压 = 101.6Mpa 结构经力学分析是安全的。2.2.8 现场验证本工艺经业内专家论证，认为是经济可行的。现场对丙烯精馏塔 T4007 承载焊缝 B1（EL17.230）进行热处理的过程中，要求施工人员严格监视塔体的垂直度，结果显示如下：测量时间 塔东西方向偏差 塔南北方向偏差2017 年 3 月 1 日 7:30 偏东 18mm 偏北 14mm 热处理前2017 年 3 月 1 日11：30偏东 18mm 偏北 16mm 热处理5502017 年 3 月 1 日 14:00 偏东 19mm 偏北 14mm 热处理6002017 年 3 月 1 日 16:30 偏东 20mm 偏北 15mm 热处理3502017 年 3 月 5 日 7:10 偏东 20mm 偏北 18mm 热处理后备注：T4007 塔塔体垂直度允许偏差为 30mm3、结论：热处理过程就是通过降低材料屈服强度以及发生蠕变现象来消除残余应力的，不会对其金相组织造成影响。经理论力学试验及现场施工验证分析，本施工工艺经济可行，建议在实施过程中，可以通过增加保温棉的宽度来减少温度梯度应力。
