專利名稱：球形容器局部熱處理殘余熱應力控制方法
技術領域：
本發明是關于熱處理技術，特別涉及一種球形容器局部熱處理殘余熱應力控制方法。
背景技術：
球形容器廣泛應用于石油、石化、化工和市政等行業中，屬于大型承壓特種設備。在使用過程中，球形容器經常出現裂紋等危險性缺陷，需進行焊接修復。由于焊接過程的固有特點，焊接殘余應力必然產生，而且由于球罐壁厚通常較大，拘束力強，補焊帶來的殘余應力通常會達到材料的屈服極限，對設備安全運行構成潛在威脅。因此需要進行熱處理來消除焊接殘余應力。工程中通常采用局部熱處理方式消除補焊帶來的殘余應力，在D.拉達伊著，熊第京等譯的《焊接熱效應溫度場、殘余應力、變形》(機械工業出版社，1997年7月第1版)中認為，在大多數情況下，局部熱處理后，殘余應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個測點的殘余應力，表明熱處理之后各點平均應力為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在役壓力容器應力狀況分析，試驗力學，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；而采用整環加熱可將殘余應力降低到原來的50％(1500m3液化石油氣球罐殘余應力分析，石油化工設備，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力還沒有達到令人滿意的效果。
美國《ASME鍋爐壓力容器規范》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定，指出局部熱處理的“熱透區域”(soakband)應為圓形，其半徑應當超出補焊區域一個板厚與2英寸(51mm)中的較小值。這里“熱透區域”指溫度達到或超過規定恒溫溫度的金屬區間。由于在局部熱處理過程中“熱透區域”不能簡單地認為是局部加熱區域，因此這種要求在工程中不容易應用。從中發現即使完全滿足ASME的規定，殘余熱應力仍可達到材料的屈服極限，這表明ASME的規定并不能指導工程實際。
我國相關國家標準和特種設備安全技術規范均沒有關于球形容器局部熱處理的規定。事實上目前國內對球形容器局部熱處理的研究尚處于個案狀態，尚缺乏成熟的經驗，也未進行系統研究。工程中局部熱處理效果評價一次就需要數萬元(通常30000元以上)，大多數用戶無力支付，使工藝參數選擇處于盲目狀態，無法保證熱處理的效果。
通常情況下，為了防止殘余應力帶來的諸如應力腐蝕開裂和脆性斷裂等嚴重事故，殘余應力應當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方向發展，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的劣化，對殘余應力的要求更加嚴格，一些情況下，需要將殘余應力降低到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力。在局部熱處理過程中，高溫區域產生的熱膨脹受到周圍冷金屬的強烈約束，不能自由擴展；同時高溫區域和常溫區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力。高溫下熱應力一般會達到或超過對應溫度下的材料的屈服極限，從而產生塑性應變；在冷卻過程中，這些塑性應變不能完全恢復，從而造成殘余熱應力和殘余變形。

發明內容
本發明是為了克服以上技術存在的問題，提供一種球形容器局部熱處理殘余熱應力控制方法，達到解決球形容器局部熱處理殘余熱應力問題的目的，將殘余熱應力控制在期望水平上。
為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是首先根據球形容器體積、壁厚和局部熱處理所需要受處理區域的面積，計算出圓形加熱區域的弧長半徑，將選定的加熱器具放在受處理區域，進行加熱，可以采用單面加熱或雙面加熱，當采用內側單面加熱時，對應的外側表面應設置絕熱層；當采用外側單面加熱時，對應的內側表面應設置絕熱層，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可靠絕熱，加熱面為圓形或近似圓形，受處理的區域應位于加熱面中心，加熱過程中應控制升溫速度，使不大于150℃/h，達到恒溫溫度并按預定恒溫時間恒溫處理后進行冷卻；冷卻速度應控制在升溫速度的50％以內，按照冷卻速度冷卻到300℃/h后，將絕熱層去除，熱處理結束。
根據球形容器的體積、壁厚和和局部熱處理所需要受處理區域的面積，按照不同的殘余熱應力期望水平，計算出合適的加熱區域弧長半徑，當期望的殘余熱應力為材料常溫屈服極限的40％、30％、20％、10％、5％、～0％時，對應的加熱區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力水平所對應的加熱區域半徑。
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。
本發明的有益效果，解決了長期困擾業界的球形容器局部熱處理殘余熱應力控制問題，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力控制在從屈服應力的40％到接近于零水平，從而避免由此帶來的應力腐蝕開裂和脆性斷裂等安全隱患，增加大型設備連續運行的安全可靠性性，且操作安全便捷。
具體實施例方式
下面結合具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明一種球形容器局部熱處理殘余熱應力控制方法，首先根據球形容器體積、壁厚和局部熱處理所需要受處理區域的面積，計算出圓形加熱區域的弧長半徑，將選定的加熱器具放在受處理區域，進行加熱。可以采用單面加熱或雙面加熱。當采用內側單面加熱時，對應的外側表面應設置絕熱層；當采用外側單面加熱時，對應的內側表面應設置絕熱層。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可靠絕熱。加熱面為圓形或近似圓形，受處理的區域應位于加熱面中心。加熱過程中應控制升溫速度，使不大于150℃/h。達到恒溫溫度并按預定恒溫時間恒溫處理后進行冷卻；冷卻速度應控制在升溫速度的50％以內，按照冷卻速度冷卻到300℃/h后，將絕熱層去除，熱處理結束。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當為圓形或近似圓形。受處理的區域，包括補焊區域及其熱影響區應當位于加熱面的中心。加熱器具包括遠紅外加熱板、履帶式電加熱板或火焰加熱，加熱器具應位于受處理區域的同側、外側或內外兩側同時加熱。按照不同的殘余熱應力期望水平，以母線弧長表示的加熱區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符合相關國家標準和安全技術規范的規定。
(2)采用內側單面加熱時，對應的外側表面應可靠絕熱；當采用外側單面加熱時，對應的內側表面應可靠絕熱。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可靠絕熱。
(3)超出圓形加熱區域之外，應設置環形絕熱區域，以防止過大溫度梯度帶來的不良影響。環形絕熱區域的寬度應不小于加熱區域弧長半徑的50％。環形絕熱區域可以和圓形絕熱區域統一設置。絕熱層厚度應不小于100mm。
(4)升溫速度應不大于150℃/h，冷卻速度應控制在升溫速度的50％以內。
(5)當需要熱處理的區域超過加熱區域的50％時(按弧長計)，應至少將超出部分的弧長等量擴大加熱區域半徑。
(6)應在需要熱處理區域的內側和外側各至少設置兩個測溫點，置于中心和熱處理區域外緣，作為調整熱輸入的反饋參數。但當熱處理區域較大時，應在外緣增設測溫點。
如果不能確定期望的殘余應力水平，宜按照10％屈服應力標準選擇加熱區域半徑。
本發明采用較大的加熱和絕熱面積，熱處理區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，當熱處理區域溫度下降到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明作進一步說明。
對一臺1000m3(內半徑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)作為熱處理區域平均殘余熱應力的期望值，則加熱區域半弧長為2.10Rt=1064mm.]]>由于需要熱處理的區域弧長半徑(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側表面，取環形絕熱區域寬度為1000mm、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，得到的熱處理區域內表面殘余熱應力為123.4MPa，可見非常接近期望值(122.8MPa)。這時，熱處理區域外表面殘余熱應力為87.9MPa。
權利要求
1.一種球形容器局部熱處理殘余熱應力控制方法，其特征是，首先根據球形容器體積、壁厚和局部熱處理所需要受處理區域的面積，計算出圓形加熱區域的弧長半徑，將選定的加熱器具放在受處理區域，進行加熱，采用單面加熱或雙面加熱，當采用內側單面加熱時，對應的外側表面應設置絕熱層；當采用外側單面加熱時，對應的內側表面應設置絕熱層，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可靠絕熱，加熱面為圓形或近似圓形，受處理的區域應位于加熱面中心，加熱過程中應控制升溫速度，使不大于150℃/h。達到恒溫溫度并按預定恒溫時間恒溫處理后進行冷卻；冷卻速度應控制在升溫速度的50％以內，按照冷卻速度冷卻到300℃/h后，將絕熱層去除，熱處理結束。
2.根據權利要求1所述的球形容器局部熱處理殘余熱應力控制方法，其特征是，根據球形容器的體積、壁厚和和局部熱處理所需要受處理區域的面積，按照不同的殘余熱應力期望水平，計算出合適的加熱區域弧長半徑，當期望的殘余熱應力為材料常溫屈服極限的40％、30％、20％、10％、5％、～0％時，對應的加熱區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力水平所對應的加熱區域半徑，當需要熱處理的區域按弧長計超過加熱區域的50％時，應至少將超出部分的弧長等量擴大加熱區域半徑。
3.根據權利要求1所述的球形容器局部熱處理殘余熱應力控制方法，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.根據權利要求1所述的球形容器局部熱處理殘余熱應力控制方法，其特征是，上述絕熱層厚度應不小于100mm。
5.根據權利要求1或3所述的球形容器局部熱處理殘余熱應力控制方法，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
本發明公開了一種球形容器局部熱處理殘余熱應力控制方法，首先根據球形容器體積、壁厚和局部熱處理所需受處理區域的面積，計算出圓形加熱區域的弧長半徑，將加熱器具放在受處理區域進行加熱；采用單面加熱或雙面加熱，并設置絕熱層；控制升溫速度不大于150℃/h；達到恒溫溫度并按預定恒溫時間恒溫處理后進行冷卻；冷卻速度應控制在升溫速度的50％以內，按照冷卻速度冷卻到300℃/h后將絕熱層去除。本發明解決了長期困擾球形容器局部熱處理殘余熱應力控制問題，按照不同的需要，將球形容器局部熱處理造成的殘余熱應力控制在從屈服應力的40％到接近于零水平，避免應力腐蝕開裂和脆性斷裂等安全隱患，增加大型設備連續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 優先權日2006年2月27日
發明者王澤軍, 胡津康, 楊念慈, 蕭艷彤, 牛衛飛, 劉宏臣, 陸金明 申請人:天津市特種設備監督檢驗技術研究院