基于小直徑管道焊口集中熱處理的方法

馬俊恒 畢家偉 閆俊峰 崔紹軍 馬 崢

1.中化二建集團(tuán)有限公司 山西太原 030021；2.寧波工程學(xué)院 浙江寧波 315211

石油化工裝置的管道種類多，管道內(nèi)的介質(zhì)多為易燃、易爆、有毒介質(zhì)。管道的焊接質(zhì)量直接影響到工程的安全運(yùn)行和使用壽命[1]。一些金屬管道因?yàn)椴馁|(zhì)的特性要求進(jìn)行焊后熱處理。焊縫焊后熱處理可消除焊接殘余應(yīng)力，改善焊縫金相組織和延長(zhǎng)使用壽命，是保證管道安裝內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵工序之一，直接影響工程投產(chǎn)后的長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行[2]。

以恒逸（文萊）PMB 石油化工工程項(xiàng)目100 萬(wàn)t/ a 靈活焦化裝置為例，其工藝管道約87113m，需要熱處理的焊口總數(shù)約13000 個(gè)，其中直徑小于DN50 的需要熱處理的焊口約8500 個(gè)。傳統(tǒng)的熱處方法是逐道焊口進(jìn)行熱處理，工作量大、用時(shí)長(zhǎng)，資源配置、人員組織、質(zhì)量預(yù)控及施工工期都會(huì)受到很大影響。同時(shí)，管道焊口逐道包裹熱處理技術(shù)在室外施工，效率低，且點(diǎn)多面廣，受操作人員、天氣環(huán)境等因素影響，熱處理溫度的控制不穩(wěn)定，質(zhì)量不易保證，一次合格率較低。為此，中化二建集團(tuán)有限公司項(xiàng)目部技術(shù)人員采用加大小直徑管道預(yù)制深度，然后采用集中熱處理的方法解決了這一難題。

1 傳統(tǒng)熱處理方法

傳統(tǒng)的管道焊縫熱處理加熱和保溫方法為：將電加熱帶覆蓋在焊縫位置，用鐵絲將電加熱帶捆綁固定在管道上；將保溫材料覆蓋在電加熱帶上，再用鐵絲將保溫材料捆綁固定在管道上；接通電源和溫控設(shè)備開(kāi)始管道焊縫熱處理[3]。傳統(tǒng)的管道逐一熱處理保溫方法工作效率低，工程成本高，保溫材料重復(fù)使用率低，不符合綠色施工、健康環(huán)保要求。另一方面，傳統(tǒng)的管道熱處理方法無(wú)法滿足施工高峰期預(yù)制焊口熱處理效率，影響管道安裝進(jìn)度。

2 小直徑管道焊口集中熱處理方法設(shè)想

針對(duì)管道焊口逐道包裹熱處理技術(shù)存在的缺點(diǎn)，項(xiàng)目部工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)研討，提出針對(duì)成批量的小直徑管道進(jìn)行集中熱處理的可能性，進(jìn)而提出研發(fā)小直徑管道集中熱處理施工技術(shù)，并成立了集中熱處理施工技術(shù)研發(fā)小組，明確各小組成員的研發(fā)分工。通過(guò)對(duì)集中熱處理方法的論證和分析，要實(shí)現(xiàn)小直徑管道焊口集中熱處理，首先需要加大小直徑管道預(yù)制深度；其次，需要提供焊口集中熱處理的小型熱處理箱，將預(yù)制完成的小直徑管段放置到小型熱處理箱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小直徑預(yù)制管道焊口集中熱處理。該技術(shù)能夠?qū)π≈睆筋A(yù)制管道焊口進(jìn)行集中熱處理，與傳統(tǒng)方式中逐個(gè)焊口熱處理相比，可以一次性完成多道小直徑焊口熱處理的全部工作，有效節(jié)約人工成本、周轉(zhuǎn)材料和用電量等。而且能夠節(jié)約大量工時(shí)，操作方便，大大提高了焊口熱處理質(zhì)量和效率。同時(shí)，根據(jù)需要，該熱處理簡(jiǎn)單實(shí)用，易于拆卸組裝，制作使用的材料取自施工現(xiàn)場(chǎng)，整體可復(fù)制，可推廣使用。

3 小型熱處理箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型熱處理箱結(jié)構(gòu)分為箱體結(jié)構(gòu)外殼、陶瓷加熱器、保溫層、熱電偶及溫控系統(tǒng)。箱體結(jié)構(gòu)外殼利用施工現(xiàn)場(chǎng)的角鋼、薄鐵皮等材料制作，主要有采用30mm 角鋼制作的箱爐體骨架，保溫層采用最高耐溫1200℃的硅酸鋁纖維毯，加熱采用履帶式陶瓷加熱器、熱電偶等。箱體尺寸1500mm×1000mm×700mm，箱爐膛尺寸1200mm×700mm×500mm，如圖1 所示。箱體的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，制作使用的材料取自施工現(xiàn)場(chǎng)，整體可復(fù)制、可推廣使用。

圖1 箱體結(jié)構(gòu)外殼圖（單位：mm）

箱體外殼側(cè)墻中下部對(duì)稱開(kāi)2 個(gè)直徑30cm 的圓形孔，兩面端墻中上部各開(kāi)1 個(gè)直徑20cm 的圓形孔，用于調(diào)節(jié)爐溫均衡。嚴(yán)格把控溫度，記錄熱處理操作，保證熱處理時(shí)間、溫度與熱處理指導(dǎo)書規(guī)定的一致。

加熱器安裝，采用履帶式陶瓷加熱器，規(guī)格為600mm×400mm，功率為10kW/ 塊，分別在兩側(cè)爐墻和爐底各布置兩塊，總計(jì)6 塊，設(shè)計(jì)總功率60kW，最高加熱溫度800℃。

為了便于放置構(gòu)件，在箱體底部的加熱帶上，用高度20mm 工字鋼做兩處支撐，上面鋪設(shè)鋼格板，用于將熱處理的管件懸空放置，如圖2 所示。

圖2 熱處理箱加熱爐制作

溫控系統(tǒng)采用便攜式智能溫控儀，分別在爐內(nèi)上、中、下位置布置6 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，用于測(cè)定爐膛恒溫區(qū)的溫度。通過(guò)加熱爐上的熱電偶反饋信號(hào)自動(dòng)控制加熱溫度及升降溫速率，實(shí)時(shí)記錄加熱爐內(nèi)溫度變化，形成記錄曲線圖。

4 小直徑管道焊口集中熱處理方法施工程序

（1）制定管道集中熱處理方案，針對(duì)不同管道明確相應(yīng)的熱處理參數(shù)，并制定不同的材質(zhì)所采用的熱處理參數(shù)，在預(yù)制區(qū)掛牌；對(duì)相關(guān)焊接和分類人員進(jìn)行技術(shù)交底，不同的材質(zhì)劃分不同的熱處理堆放區(qū)。

（2）將需要熱處理的小直徑管道按照分裝置、分區(qū)域、分管線的原則進(jìn)行集中預(yù)制，預(yù)制完成后，進(jìn)行編號(hào)掛牌（鋼印），就地放于待熱處理區(qū)。

（3）在待熱處理區(qū)域組裝熱處理箱，按照鋪設(shè)硅酸鋁纖維毯→鋪設(shè)陶瓷加熱器→支撐工字鋼、鋼格柵板、熱電偶、加熱器及熱電偶外接電線→連接變頻式智能溫控儀的順序進(jìn)行。

（4）熱處理箱內(nèi)的硅酸鋁纖維毯、陶瓷加熱器、支撐工字鋼、鋼格柵板逐層布置好后，將需要焊后熱處理的構(gòu)件全部放在爐腔內(nèi)的鋼格柵板，擺放整齊；統(tǒng)一使用高溫油漆在鍍鋅鐵皮上標(biāo)識(shí)管道焊口信息，并用鐵絲綁在管件上。要求熱處理的焊接件距離爐墻100mm，并保持爐內(nèi)空氣流通溫度恒定。

（5）需要熱處理的構(gòu)件擺放好后，將附有硅酸鋁纖維毯的熱處理箱蓋覆蓋于熱處理箱上，并確認(rèn)箱體的密封性；再將熱電偶和加熱器的線纜與智能變頻溫控儀連接。

（6）按照熱處理工藝參數(shù)卡，設(shè)定熱處理需要參數(shù)；安排專人進(jìn)行監(jiān)管，過(guò)程中記錄每爐的管段清單，保證操作完成后梳理管段和完成熱處理驗(yàn)收；熱處理完成后，開(kāi)蓋，準(zhǔn)備出爐；熱處理完成后進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度值符合規(guī)范要求為合格。

（7）熱處理箱在升溫前要將用于調(diào)節(jié)溫度均衡的進(jìn)、出風(fēng)口采用硅酸鋁纖維毯封閉。當(dāng)升溫、保溫和時(shí)長(zhǎng)均達(dá)到熱處理工藝參數(shù)時(shí)，進(jìn)入降溫階段。降溫過(guò)程中，將進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口的保溫氈毯按照先出風(fēng)后進(jìn)風(fēng)的順序，逐步少量的取下，同時(shí)根據(jù)觀察時(shí)間段內(nèi)溫度變化，調(diào)整進(jìn)、出風(fēng)口保溫氈毯的取出量和取出順序，達(dá)到與熱處理降溫參數(shù)一致。

（8）該方法熱處理效率高，直徑50mm 預(yù)制管段可一次處理60 道焊口，爐內(nèi)溫度均勻，溫差控制在10℃范圍內(nèi)，小于規(guī)范要求的50℃偏差。硬度檢測(cè)符合要求，記錄熱處理過(guò)程的曲線圖記錄的信息符合要求，有效地保證了施工質(zhì)量。

5 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)工人技能的提高，石油化工、煤化工、電力行業(yè)中的管道安裝工程工廠化預(yù)制的能力越來(lái)越高。管道的預(yù)制比例，代表一個(gè)施工企業(yè)的綜合管理能力和產(chǎn)業(yè)工人勞動(dòng)技能水平。小直徑管道焊口集中熱處理施工技術(shù)，提高了工作效率和施工質(zhì)量。熱處理箱制作工藝簡(jiǎn)單，操作方便，重量輕，可拆卸，整體可復(fù)制，可廣泛應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)和工廠，具有廣闊的應(yīng)用前景。本技術(shù)的成功運(yùn)用，推進(jìn)了科技創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，在小直徑管道集中熱處理施工方面積累了經(jīng)驗(yàn)，得到業(yè)主高度肯定，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。