倒置燃燒器球罐內燃法整體熱處理施工技術

中國石油天然氣第一建設有限公司 河南洛陽 471023

某國外工程中有兩臺2000m3的丙烷球罐，直徑為13.5m，容積為1280m3，材質為SA 537 CL1，壁厚50.4mm，設計執行的規范標準為ASME Setc. VIII DIV.1-ED.2010。設計結構為僅有上部人孔，下極板上只有一個10英寸的管嘴。采用燃料內燃法對這兩臺球罐進行整體熱處理的難點在于，罐底10英寸的管嘴無法滿足燃燒器安裝空間，為此，現場采用從上部人孔安裝燃燒器噴嘴的方法來進行該球罐的熱處理。一般情況下，從球罐底人孔安裝加熱器噴嘴進行熱處理時，火焰距離下極較近，熱輻射作用主要集中在下極，熱氣流對流作用又能較好地加熱上極，球體各點溫差較易控制。相對于此，從上部人孔安裝加熱器噴嘴進行熱處理則需要根據熱處理各階段的熱量需求來嚴密控制燃燒器的供氣量、排氣量等工藝參數，以達到升降溫速度受控、球體各點溫差受控等熱處理工藝的要求，從而獲得合格的熱處理曲線。

1 原理

倒置燃燒器內燃法進行球罐整體熱處理是將球罐本體作為熱處理爐膛，將燃燒器的噴嘴通過上部人孔伸入球罐內對球體進行加熱，在球罐外壁安裝熱電偶，使用隔熱層保溫材料防止熱量損失。通過溫控系統控制燃燒器的供氣量、排氣量等工藝參數，實現球體均勻供熱；根據熱處理工藝曲線進行升溫、恒溫和降溫過程的控制，獲得符合要求的熱處理工藝曲線，從而達到加速焊縫氫擴散、消除焊接應力的熱處理效果。

2 施工工藝

2.1 熱處理工藝參數

升溫階段起始控制溫度：300℃；降溫階段終止控制溫度：300℃；恒溫溫度：610±15℃；最短恒溫時間：135min；升溫速度控制：300℃以下不做控制，300℃以上控制在50～80℃/h；降溫速度控制：300℃以上控制在50～80℃/h，300℃以下不做控制；升溫時任意兩熱電偶最大允許溫差：80℃；降溫時任意兩熱電偶最大允許溫差：60℃。

2.2 熱處理前準備工作

（1）熱處理前應確認所有的焊縫焊接完成，并按設計文件及規范要求檢測合格。

（2）在防爆區域施工，應考慮采取隔離等安全措施。

（3）與熱處理無關的管嘴全部用臨時盲板進行封閉。

（4）現場核實是否有對球體膨脹位移有礙的部位，若有則應全部斷開。

（5）松開所有柱腿的地腳螺栓和拉桿螺栓，使之處于放松狀態。

（6）安裝柱腳位移監測系統。

（7）產品焊接試板放置在球罐熱處理高溫區外側。

（8）關注天氣預報，熱處理施工應盡量避開風雨天氣。

2.3 安裝測溫點

（1）熱電偶及記錄設備應校驗合格，并獲得校驗證書，以保證其性能可靠。

（2）應繪制測溫點布置圖，并對其進行編號。測溫點應均勻布置在球體外表面，測溫點的個數及相鄰測溫點的間距均應符合規范要求。

（3）按測溫點布置圖安裝熱電偶，并將其固定在球殼上的對應位置。

（4）每個產品焊接試板應設置一個熱電偶。

（5）熱電偶應按 1：1 的比例備用。

2.4 安裝保溫棉

（1）應根據熱處理工藝要求的溫度、材料的容重、導熱系數等進行熱損耗計算，以此選擇保溫棉的材質和厚度。

（2）保溫棉應保持干燥，不得受潮。

（3）保溫層應緊貼球殼表面，接縫應嚴密，綁扎固定牢靠，避免熱處理過程中保溫棉脫落。多層保溫時，保溫棉應錯縫安裝。

（4）人孔、接管、連接板均應進行保溫。球殼與柱腿焊縫下方1m范圍內也應進行保溫。

2.5 柱腳位移計算

球罐受熱膨脹量可按公式（1）進行計算。

式中，Δt——柱腳移動量，mm；

R——球罐的外半徑，mm；

T ——熱處理時球殼的溫度，℃；

α——鋼材膨脹系數，SA 537 CL1材質在T≤250℃時，α=11.5×10-6/mm?℃； 當 300℃＜T≤400℃時，α=12.5×10-6/mm?℃； 當 400℃＜T≤500℃時，α=13.5×10-6/mm?℃； 當 T＞500℃時，α=1=14.5×10-6/mm?℃。

將此次擬熱處理的兩臺球罐的參數代入公式（1）中，得到球罐柱腳在熱處理過程中對應溫度下的位移見表1。

表1 球罐柱腳位移監控數據表

2.6 加熱系統安裝

該加熱系統是數控加熱系統，主要由數控操作主機、LPG儲氣罐、噴霧器、輸氣管線、氣體調節器、高速風扇等部分組成，熱處理施工時的安裝示意圖見圖1。

圖1 熱處理加熱系統安裝示意圖

燃料是由兩臺LPG儲罐提供，經霧化器霧化后送至球罐頂平臺上的氣體調節系統，與罐頂安裝的高速風機提供的空氣混合后進入高速火焰燃燒噴嘴。

高速火焰燃燒噴嘴由罐頂人孔插入球罐內部，并且與人孔牢固固定。為了防止火焰直接與罐壁板接觸和盡可能加強罐內熱空氣對流，采用加長噴嘴的措施，噴嘴實際伸入罐內長度為2.5m。

燃燒后產生的廢氣由下極板上10英寸的出口處安裝排氣接管引向球罐外圍。

2.7 熱處理過程控制

熱處理過程需嚴密控制升降溫速度、恒溫溫度、任意熱電偶的溫度差等，以保證熱處理曲線滿足熱處理工藝要求。參數的控制是通過燃燒系統的操作主機來調節空氣與燃料氣的混合比、進氣量，以及手動調節廢氣的排出量來實現。簡而言之，即通過上述操作來調節輸入的熱量，以滿足熱處理工藝要求的溫度變化。燃燒器火焰燃燒效率取決于空氣和燃料氣的混合比。通過觀察火焰顏色來判斷燃燒效率值的高低，經現場實操，當空氣與燃料氣的混合比為30：1時火焰達到最佳燃燒狀態，此時燃燒效率值最高。加熱過程中，要一直監控溫度變化，通過調節燃料混合氣的送入量和排氣口擋板開閉的大小來調節溫度的變化。

此外，熱處理過程中要根據表1中的相關數據，借助柱腳位移監控系統對柱腳的實際位移進行測量。如發現柱腳位移不足，即發生了柱腳卡阻的現象，應采取措施處理。

2.7.1 加熱階段

在加熱階段，熱量的輸入以最大輸入量為宜。但是為保證任意兩個熱電偶之間的溫差不大于80℃，應通過調整排氣口的擋板來控制球殼上溫度的均勻性，盡量減小任意兩點間的溫差。

混合燃料氣：當溫度在595℃以下時，燃料混合氣送入量保持要最大狀態，讓燃燒器保持最大功率。

廢氣排出量：當溫度在200℃以下時，將排氣口處的調節擋板設置在半開狀態。當溫度超過200℃時，將排氣口擋板完全打開，加強球罐內空氣對流，以達到使內部熱空氣強制向球罐底部聚集的效果。在此狀態下，排氣口帶走大部分熱量，整體升溫速度變緩慢，越靠近下極升溫速度會相對變快；相反，越靠近上級升溫速度會相對變慢，從而有效控制上、下極的溫差。

2.7.2 恒溫階段

在恒溫階段，熱輸入量要減小，以平衡空氣冷卻造成的熱損耗。

混合燃料氣：當溫度接近595℃時，應該適當調小燃料混合氣的送入量，減小熱量輸入，以進入恒溫階段。在此階段，保證溫差在20℃以內，同時每小時平均升溫速度控制在10℃以內，防止在恒溫階段出現大幅溫度波動導致熱處理失敗。

廢氣排出量：在恒溫階段，排氣口的擋板保持半開狀態，用于平衡熱輸入量，來調節溫差及整個恒溫階段的微量升溫。

2.7.3 降溫階段

混合燃料氣：關閉燃燒器，停止熱輸入。

廢氣排出量：完全關閉排氣口的擋板，防止熱量流失過快。

在此階段，根據熱處理工藝要求，在300℃以上時，降溫速度不超過60℃。如果外界氣溫較低，在300℃以上時，空氣冷卻會造成熱損耗過大，有可能造成降溫速度超過60℃。此時，應將排氣口完全打開，點火并調節混合燃料氣的進氣量，給球罐輸入少量熱量，使之降溫速度控制在60℃以上。直至溫度降至300℃時，關閉燃燒器，關閉排氣口，使之自然空冷。

3 結論

本次采用內燃法，通過上部人孔安裝加長噴嘴式燃燒器，對兩臺1280m3的球罐進行了整體熱處理。此法與以往常見的熱處理施工最大的差別在于，從上部人孔安裝加熱器噴嘴進行熱處理。在施工過程中，通過對熱損耗和柱腳位移量等參數進行詳細的計算，在熱處理過程中嚴密監控熱處理參數，及時調整加熱系統的參數和排氣口流量，最終獲得了滿足熱處理工藝要求的熱處理曲線，同時避免了常用熱處理工藝上下級溫差較大的弊端，對類似工程有一定的借鑒意義。