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1、大型油罐开孔壁板制作及焊后消除应力热处理技术的开发和应用摘 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 油罐开孔壁板 预变形 焊接顺序 焊接规范 消除应力热处理词1 前言近年来，我国建造了许多大型原油罐。由于
2、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 5x104ms和i0x104m3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
3、块， 其中5x104ms罐8块，10x104ms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10x104ms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
4、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。CSiPS匚qPern0.15-01756=50.03403=5024表 2 钢板的力学性能拉力试验冲击试验冷弯试验160iJb/MPa/IWPa试验温度門cWJ平均值单亍值耳4知M25-2047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 HG
5、J209-83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
6、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lm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
7、.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
8、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
9、敷金属的化学成分%CSiMnPSaoe1 一汕O.-0250.025(129mG-60(JIS)1.2焊丝的力学性能见表4。表 4 熔敷金属的力学性能fr,/MPa僱/MPa59067028150焊接线能量的大小应控制适当，增大线能量对防止裂纹的产生有利，但容易产生变形；减少线能量即减少热输入，可减少变形。由于SPV490Q钢材具有一定淬硬倾向，焊缝容易出现裂纹和焊趾裂纹以及未 熔合、未焊透等缺陷。经过焊接工艺评定后，得出的工艺参数见表5。表 5 焊接规范悍接层次第层其他层悍接方法CO. fl焊材牌号MC-60MC -60规格/mm1.21.2保护气体C(hco3气流/L- min-15-20
10、15-20电流/丸140-150200-210电压八23-2528-29线能址FkJ cm115-2017*33焊接顺序如图 2 所示。AVC - 7 9 产图 2 焊接顺序焊缝结构的焊接变形来源于焊接应力，它除了与焊接规范、接头型式、坡口角度、补强圈结构和焊接顺 序有关以外，还与焊缝的截面大小和焊缝变形的方向有关。接管与补强圈的角焊缝是在较大的拘束条件下焊接的封闭焊缝（见图2）,焊接焊缝时，由于焊缝的 环向收缩受到壁板的阻碍，在焊缝中产生很大的拉应力，应力随坡口截面的增大而增大，对整体结构来讲， 将造成壁板向焊缝方向拱起。焊接焊缝和时，壁板向反方向塌陷。焊缝和截面积总和为 362.5mm2，
11、焊缝的横截面积为305mm2。如果在焊接时采取同样的焊接工艺，焊缝和的拉应力 就会大于焊缝的拉应力，接管与壁板焊接后使壁板产生塌陷变形。如果加大焊缝的热输入，可以使变 形达到平衡，但变形量很难控制，一旦热输入过量，壁板向接管方向拱起就更难矫形。所以，考虑壁板的 塌陷，在焊缝处增加加固板措施来控制变形。加固方法如图3所示。图 3 开孔加固方法此种加固方式增加了结构的刚性，减少了焊接变形，也会在焊后产生很大的焊接应力。因此，应进行焊 后消除应力热处理，待消除应力热处理后再将加固板割掉。4 消除焊缝应力热处理油罐壁板与开孔接管连接焊缝是否需要消除应力热处理，是根据设计选用的钢种和板厚的关联因素确 定
12、的。按照立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范GBJ128-90的规定，板厚大于12mm，且屈服强 度大于 390mPa 的油罐壁板上的人孔、搅拌机孔和进出油管孔等，在开孔接管、补强圈与相应壁板组装 焊接后，需要进行焊后消除应力热处理。其效果应该达到：消除组装、焊接应力，并保持壁板的几何尺寸 达到设计要求。壁板在炉内的放置方式，常规的做法是卧置，每次只能放一块。由于在高温下，壁板的自重容易引起 变形，壁板的几何尺寸很难保证，这样热处理的壁板，尤其在开孔和补强圈部位的尺寸误差，一般都达不 到规范要求。为了防止或减少因自重引起的变形，此次研制采用竖置方式，如图 4 所示。图 4 壁板在炉内的放置方式
13、在第一次热处理前，先将壁板固定支架进行消应处理，然后再将壁板与支架组合固定进行热处理。固定 时，用楔子将壁板打紧，但松紧程度应适当，给壁板的热胀冷缩留有余地。在消除焊缝应力热处理工艺的实施过程中，主要难点是保温时的温度控制和降温速度控制。壁板温度 的波动必须控制在580C10C范围内，这用常规的燃料油、液化气加热炉手动控制温度的方法是很难实 现的。但是，采用电加热和电脑监控壁板温度技术，就可使保温控制难度大为简化。大型油罐的安装工作都是由安装单位在野外作业，热处理设备和电力供应都受到极大的限制，如果在 工厂内进行热处理，还要长途运输，势必增加大量费用。所以，研制时考虑到施工现场的实际情况和我国
14、 的国情，采用较轻便的热处理炉和尽量利用靠近油罐安装现场的方法，热处理采用电加热方式。热处理炉 炉膛净空4mx4m,底部设移动式台车，便于工件装卸。按每炉装2块壁板、580C10C保温温度计算， 热处理功率约需500kW，加热体用36个220V, 14kW的电加热块组成，另设4块备用加热块，作为 加热块有损失时的补充。加热块均匀布置在炉子轴向两侧各20个，每侧又分上下两层。为了实测壁板温 度，在壁板上开孔部位布置热电偶。开孔数量多的布3个，数量少的布2个，还应视孔间距大小而定，未 开孔部位也适当设置热电偶，以检测整块壁板的受热均匀性。温度控制器根据热电偶传来的信息，在记录 仪上打点记录作曲线，
15、并由电脑存储。热处理加热速度在300C以下不控制，300C以上不超过150C/h。580C10C保温160min，降 温速度不超过200C/h，出炉温度不高于300C。5 实施效果5.1 壁板质量5.1.1 几何尺寸消除应力热处理后，将壁板竖置于平台上，检查开孔接管补强圈及各部分几何尺寸。水平方向用 2m 长样板检查，20张开孔壁板共检查98处，样板间隙小于3mm的共62处，占总数的65%；样板间隙 33.8mm的共34处，占总数的35%。壁板垂直方向用1m直尺检查，间隙均不大于1mm，几何尺 寸全部符合规范要求。5.1.2 消除应力热处理效果检查热处理曲线图和实际操作，300C以上升温速度均未超过150C/h, 般为5060C/h。保温 时，工件各部分温度均未超过580C10C。保温时间160min，降温速度均不超过200C/h，一般为 70100C/h，出炉温度为300C。5.1.3 残余应力测定 根据油罐残余应力的测试必须在无损条件下进行的
