壓力容器焊縫返修及焊后熱處理

閆艷偉，夏春杰，楊雄，王芳芳，錢俊鋒，李衛

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031）

某裝置在進行全面檢驗過程中，一級反應器經TOFD檢測發現其最下方兩個筒體對接焊縫存在超標埋藏缺陷，缺陷長度160mm，缺陷深度為20～30mm，TOFD圖譜如圖1所示，根據相關標準需要對此缺陷進行消除，設備焊縫局部返修，坡口尺寸受缺陷大小及現場操作條件影響較大，以下對現場開槽的坡口的結構尺寸進行應力分析，得到開槽后坡口周邊的應力分布，為焊縫焊接及焊后熱處理提供參考。

圖1 TOFD圖譜

圖2 開槽成型

焊縫內部埋藏缺陷的消除過程大致分為挖除缺陷、局部焊接及熱處理、檢測確認三個步驟，分三個部分對返修過程進行分析研究。

1 應力分析

（1）建立數值模型：根據TOFD圖譜確定缺陷位置，將缺陷完全刨除，并將刨槽打磨成型如圖2所示。設備主要結構參數如表1所示，由于設備結構尺寸較大，坡口尺寸與筒體尺寸相差較大，為方便計算含坡口的圓柱面簡化為平面，且數值模型具有對稱性，數值模型如圖3所示，其中模型高750mm，長為450mm，坡口形狀為等腰梯形，長度分比為60mm、20.9mm，角度為60°。

（2）網格劃分及應力分析：將建立好的數值模型導入應力分析軟件，首先進行劃分網格，由于坡口尺寸與筒體尺寸相差較大，因此需要對坡口周邊進行網格加密，節點數為360184，網格數量為156584，對網格進行無關性驗證，結果表明網格劃分數量不影響應力計算結果，網格劃分如圖4所示，設定對稱邊界條件，壓力邊界條件，頂部筒體重力影響，底面設置為固定邊界條件，設置好邊界條件并進行計算。

計算結果可得應力分布及變形量大小如圖5所示，由圖可知，坡口周圍存在應力集中，坡口棱角分明，應力集中越大，因此在現場返修過程中應圓滑過渡，從而減小應力集中的情況，減小棱角處應力的大小，為減少焊接的難度，從圖5（b）中可以看出，坡口上方筒體形變量大于同水平位置形變量，隨著高度的下降形變量變小，坡口下方形變量小于同水平位置形變量，這是由于坡口的存在造成筒體的不連續，從而坡口上斜面形變量較大，而坡口下斜面由于上方重力的不連續性，形變量較小，此種規律與坡口深度有關，因此在焊縫局部返修過程中應避免坡口深度小于1/2筒體厚度，從而較小焊接的難度。

表1 反應器主要技術參數

圖3 數值模型

圖4 網格劃分

圖5 計算結果云圖

2 焊縫局部焊接及熱處理。

（1）根據上述分析結果，選擇合適的坡口尺寸成型，并根據設備設計制造資料制定相應的焊接工藝，編寫焊接工藝評定卡，根據焊接工藝進行焊接，焊后24小時后對局部焊接部位進行表面磁粉檢測和TOFD檢測，檢測結果合格，根據標準返修次數不能超過3次。

（2）無損檢測合格后，根據相關標準，對設備的焊接工藝及坡口應力分布情況制定了局焊縫施焊后局部熱處理工藝，具體分為以下幾個部分。

①局部焊后熱處理時，均溫、加熱和隔熱范圍如圖6所示。本次加熱在焊縫背面布置2層保溫棉。均溫帶的最小寬度為在返修焊縫兩端各加50mm。加熱片擺放注意環繞包括均溫帶在內的筒體全圓周。反應器熱處理返修焊縫寬度為60mm，均溫帶寬度為160mm，筒體直徑為3600mm，周長為11656mm，選取加熱片寬度為350mm，長度為1180mm，共10片，可以全圓周覆蓋均溫帶及焊縫，保溫棉剪裁寬度為500mm，滿足規范覆蓋要求。

②焊后熱處理應按設計文件、標準、規范規定的工藝參數進行。嚴格執行國家現行壓力容器制造技術法規、標準及設計技術條件要求規定，熱處理工藝參數（表2）和工藝曲線（圖6）如下。

③熱處理溫度應采用熱電偶進行測量，并采用自動溫度記錄儀器在整個熱處理過程中連續測量和記錄熱處理過程，形成溫度—時間自動記錄曲線。測溫記錄儀器應在校驗合格期內。

④熱處理后的焊縫進行硬度檢測，以HB＜200為合格。經焊后熱處理合格的部位，不得再進行焊接作業，否則應重新進行熱處理。熱處理完成后應對此部位增加金相檢驗。

3 結語

按照標準要求焊縫局部返修熱處理完成后需對返修位置進行硬度檢測，硬度檢測結果如表3所示，硬度值均小于200，滿足相關標準，且與未返修部位硬度值差別不大，并對局部返修焊縫進行金相檢測，金相組織如圖7所示，組織結構較為均勻，晶界明顯，檢測結果表面，針對此臺設備的制定的焊接工藝及熱處理工藝的合理正確性，為現場局部返修開坡口，編寫焊接工藝卡，制定焊后熱處理方案提供參考。

表2 熱處理工藝參數

表3 硬度檢測部位及結果

圖6 熱處理工藝曲線

圖7 金相組織分析