CN108866314B - 一种保证大径厚壁管焊缝热处理均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保证大径厚壁管焊缝热处理均匀性的方法，包括：对焊口位置管道的外壁进行加热的同时对焊口位置管道的管腔进行加热，进而对管道的内壁进行加热。本发明通过内外壁同时加热的热处理工艺，以减小大径厚壁管道焊缝的内外壁温差，达到热处理消除焊接残余应力、改善焊接接头性能的目的，改善了管道内壁热处理不佳的问题，整体实现焊口均匀热处理的目的，尤其是对于厚壁管道的焊口热处理效果更为明显，该方法直观、简单、经济，并且在现场可实时性强、易操作。

Description

一种保证大径厚壁管焊缝热处理均匀性的方法

技术领域

本发明涉及焊接热处理技术领域，涉及一种保证大径厚壁管焊缝热处理均匀性的方法。

背景技术

在工业锅炉中，由于工作压力、温度相对较低，一般只用碳素钢，有时也用一些低合金钢。在电站锅炉中，工作压力、温度均较高，除碳素钢和低合金钢外，还使用有一些中合金钢和高合金钢。但是，不论工业锅炉还是电站锅炉，在安装、检修及工厂化配制中对钢制焊件均有焊接热处理的要求，诸如电站超超临界锅炉主蒸汽管道、再热热段管道、联箱等厚壁构件，焊缝硬度偏高、韧性偏低成为该系列钢管道安装过程中的一个主要问题。为了改善焊接接头性能、降低焊接残余应力，必须对焊缝进行焊后热处理。国内外研究表明，焊后热处理温度对钢管焊缝性能影响非常大，根据钢种的不同，对焊缝进行一定温度、时间的回火热处理可以改善焊接接头的性能，使得焊缝性能满足标准规范要求。譬如，9%Cr钢推荐的热处理回火温度为760士10℃，采用该热处理温度可以获得硬度介于185-270HB、冲击功41J以上性能良好的焊接接头，当热处理温度在740℃左右时，要达到同一性能指标必须延长恒温时间，当温度在730℃以下时，再延长恒温时间，硬度值、冲击功也很难满足标准规范要求。

针对配管制造厂大管径、大壁厚的管道焊接接头焊后热处理一般采用电加热炉整体热处理的方法处理，焊缝热处理均匀、便于批量热处理，但经济成本大、对管道母材性能影响显著。

针对现场大管径、大壁厚的管道焊接接头焊后热处理一般采用履带式加热局部热处理或者中频感应加热局部热处理。现场热处理过程中，热源一般只布置在管道外壁，热量从外壁向内壁传导，即使达到稳态，内外壁必然存在一定的温度差。为了保证整个焊接接头的性能，有必要尽可能减小内外壁温差，但是随着锅炉工作温度和压力的提高，随着管道壁厚不断增大，一些部件壁厚已高达150mm以上，相应内外壁温差增大。因此，控制内外壁温差成为目前国内管道现场安装中急待解决的问题。针对于此，诸多研究学者已做了大量工作，主要集中在两部分：一、通过控制加热宽度、保温宽度、升降温速度、控温温度、环境温度来调整热处理温度场分布，规律性明显、易实施；二、通过控制管道内壁穿堂风、通过调整管道内壁的加热装置来减小内外壁温差，其中内壁加热装置均是贴合管道内壁对其进行加热，可操作性差、实用性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种保证大径厚壁管焊缝热处理均匀性的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种保证大径厚壁管焊缝热处理均匀性的方法，包括：对焊口位置管道的外壁进行加热的同时对焊口位置管道的管腔进行加热。

优选地，在管道内部设置内部加热器，所述的内部加热器通过热辐射和/或热对流的形式对管道的管腔进行加热，进而对管道的内壁进行加热。

对管道的内壁加热时，采用不贴合管道内壁的加热形式，通过热辐射、热对流的形式对管道的内壁进行加热。

进一步优选地，所述的内部加热器设置在管道的轴心线上，优选以待热处理焊口为中心对称布置为优。

进一步优选地，所述的内部加热器设置在管道的轴心线上。所述的内部加热器从管道的管腔中部向管道的内壁进行热辐射，减小管道内外壁的温差。

进一步优选地，在焊口位置管道的管腔两端分别设置堵板，所述的内部加热器位于两端所述的堵板之间。

进一步优选地，在所述的堵板内设置辅助加热器。所述的辅助加热器可以进行辅助加热，配合两端的堵板增加管道的管腔中的空气对流。

优选地，在管道外部设置外部加热器，所述的外部加热器通过热辐射和/或热传导的形式对管道的外壁进行加热。

进一步优选地，将所述的外部加热器包覆在焊口位置管道的外壁上，并在外部加热器上包覆保温层。

进一步优选地，所述的外部加热器采用履带式加热器、或者电磁感应加热器、或者所述的履带式加热器、电磁感应加热器的组合。

优选地，在管道的内外设置测温部件，根据所述的测温部件测得的温度，实时调整管道的外壁、管腔的温度场分布。所述的测温部件可以采用例如热电偶。

焊口局部热处理属于瞬态热传导过程，根据本发明，整个热处理瞬态热分析过程可以简化为：加热器温度T=f(x，y，z，t)；管道内外表面热流输入q=-k∂T/∂n；管道内外表面对流换热∂T/∂n=-h(T _w -T _f )；管道截面导热∂ /∂x(k∂T/∂x)+ ∂/∂y(k∂T/∂y)+ ∂/∂z(k∂T/∂z)+ q _r =ρc∂T/∂t；管道辐射换热∂T/∂n=-εσ(T4 1-T4 2)。其中，T为温度，q为热流密度，q _r 为内热源强度，k为热传导系数，ρ为材料密度，c为材料比热，t为时间，n为边界面法线方向，h为对流换热系数，ε为辐射率，σ=5.67×10 ^-8 W/m ² ·K ⁴ 为斯蒂芬—玻尔兹曼常数，T _w 为材料表面温度，T _f 为管腔温度，T ₁ 为加热器温度，T ₂ 为材料温度。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明通过内外壁同时加热的热处理工艺，以减小大径厚壁管道焊缝的内外壁温差，达到热处理消除焊接残余应力、改善焊接接头性能的目的，改善了管道内壁热处理不佳的问题，整体实现焊口均匀热处理的目的，尤其是对于厚壁管道的焊口热处理效果更为明显，该方法直观、简单、经济，并且在现场可实时性强、易操作。

附图说明

附图1为本申请中的热处理示意图；

附图2为本实施例使用的热处理设备的示意图；

附图3为实施例一的热处理示意图；

附图4为实施例一的截面示意图；

附图5为实施例二的热处理示意图；

附图6为实施例二的截面示意图。

其中：1、管道；10、焊口；11、管腔；2、内部加热器；3、堵板；4、辅助加热器；5、外部加热器；6、保温层；7、热电偶。

具体实施方式

下面结合附图及实施案例对本发明作进一步描述：

一种保证大径厚壁管焊缝热处理均匀性的方法，一般大径厚壁管规格范围：外径一般大于325mm称之为大径，厚壁一般大于20mm称之为厚壁。

包括对焊口10位置管道1的外壁进行加热的同时对焊口10位置管道1的管腔11进行加热。具体为：

在管道1内部设置内部加热器2，内部加热器2对管道1的管腔11进行加热，并通过热辐射、热对流的形式对管道1的内壁进行加热，为了确保加热的均匀性，内部加热器2的延伸方向与管道1的轴心线方向一致，优选地，内部加热器2设置在管道1的轴心线上，以焊口10为中心对称布置。

在焊口10位置管道1的管腔11两端分别设置堵板3，内部加热器2位于两端堵板3之间，并且在堵板3内设置辅助加热器4，内部加热器2进行主加热，辅助加热器4进行辅助加热，以热辐射和对热流的方式直接和/或间接的对管道1的内壁进行加热。

在管道1外部设置外部加热器5，外部加热器5通过热辐射和/或热传导的形式对管道1的外壁进行加热，在本实施例中：外部加热器5包覆在焊口10位置管道1的外壁上，并在外部加热器5上包覆保温层6。外部加热器5采用履带式加热器、或者电磁感应加热器、或者履带式加热器、电磁感应加热器的组合。

在管道1的内外设置测温部件，以热电偶7为例，内部加热器2、辅助加热器4、外部加热器5上均设置热电偶7，通过热电偶7的实时控温、测量，随时可以调节各加热器的输出功率，以整体调整待热处理焊口10的温度场分布。

为了便于设置内部加热器2，专门设计了附图2所示的一种热处理设备，包括连接杆a、加热控制部件b、支撑架组件、导向轮d、保温部件e。其中：

内部加热器2、支撑架组件以及导向轮d设置在连接杆a上，保温部件e设置在支撑架组件上。连接杆a为一根刚性的杆件；加热控制部件b通过柔性连接管f连接在连接杆a的一端，便于进行操作控制；保温部件e则可以采用如保温棉等。

支撑架组件包括第一支撑架c1、第二支撑架c2，第一支撑架c1、第二支撑架c2分别位于内部加热器2的两侧，当第一支撑架c1、第二支撑架c2展开时，第一支撑架c1、第二支撑架c2与管道1的内壁相抵紧，结合保温部件e实现本申请堵板3的作用，辅助加热器4设置在该第一支撑架c1、第二支撑架c2上。支撑架采用类似于“雨伞”的原理，可以根据需求实现自由展开、折叠，根据管道内径在展开时控制展开的角度以配合不同内径管的需求，起到固定作用。

使用时：通过导向轮d将热处理设备运送至管道1焊口10位置，保证内置加热器2位于焊缝中心；展开第一支撑架c1、第二支撑架c2；按照热处理工艺对管道1的管腔11加热。

实施例一：

某一压力容器汽包筒体为低合金钢SA-299，内径Φ1778mm，上壁厚196.1mm，下壁厚163.9mm，含两侧封头总长度28.91m，其上有两处环焊缝存在有裂纹、夹杂等超标缺陷，并且部分缺陷呈现内外壁贯穿性，焊接修复完成后的工艺要求对两条补焊后的环焊缝进行局部焊后热处理，热处理恒温温度要求为550℃，升降温速度不超过50℃/h。

采用本发明方法对两条环焊缝进行局部焊后热处理，具体实施步骤如下：

（1）加热功率的选择

根据焊后热处理工艺要求，加热功率计算公式P=KWC（T _a -T _b ）/3600t。其中，P为加热所需功率；K为散热损失系数；W为加热范围内受热部件重量；C材料比热容；T _a 为加热起始温度；T _b 为加热终了温度；t为加热升温时间。计算得到筒体两条环焊缝加热需要的最小功率为800kW，考虑功率储备量，外部加热器主功率选定800kW，内部加热器作为辅助加热选定功率480kW，起到加快内外壁均温的作用。因此，本项目投入4台360KW功率热处理机器使用。

（2）加热器的布置

如图3、4所示（本实施例以两条焊缝为例，图中仅示出一条焊缝）：其中对于环焊缝焊口10a进行热处理，热处理时，考虑温度均匀性要求，采用内外部联合加热的热处理方案。其中外部加热器采用履带式加热器50、51，约80片，800kW，其中履带式加热器50为主加热器、履带式加热器51为辅助加热器，以焊缝为中心，沿修复处焊缝中心两侧每边铺设加热宽度不少于汽包壁厚的3倍，本项目设置加热宽度单侧600mm；内部加热器采用框架加热器20（20a、20b、20c），共16组，48片，480kW，框架加热器20加热器布置部位以修复的环焊缝为中心，两边各安装1000mm;汽包内部待处理环焊缝两侧分别设置堵板3，并且在堵板3内设置辅助加热器4，热电偶按照标准规范采取工件圆周方向上、下、左、右在内外同时布置。

（3）按照焊后热处理工艺参数设定焊后热处理工艺曲线，内、外部加热器最高温度分别为500℃、550℃，恒温10h，升降温速率不超过50℃/h,内、外加热装置同时进行加热，进行焊后热处理。

工程施工中用测温仪器对加热区域进行温度测量，利用百分表对汽包膨胀量进行测量，热处理后进行无损探伤（包括超声检测、磁粉检测、金相检测、硬度检测、残余应力检测），各项指标显示满足焊后热处理技术要求。

实施例二：

某一压力容器汽包筒体为低合金钢SA-299，外径Φ2200mm，壁厚195mm，含两侧封头总长度27.2m，由8节筒体及两个封头组成，其上在第2条至第3条环焊缝之间的纵焊缝之内在1.49m范围内存在超标缺陷，缺陷位置距离外壁136～146mm，从内壁对缺陷进行消缺、焊接修复后对该纵焊缝进行局部焊后热处理，热处理恒温温度要求为550℃，升降温速度不超过50℃。

采用本发明方法对两条环焊缝进行局部焊后热处理，具体实施步骤如下：

（1）加热功率的选择

焊后热处理工艺升温速率为50℃/h时，计算得到筒体纵焊缝加热需要的主热源功率为680kW，考虑功率储备量，外部加热器主功率选定680kW，内部加热器作为辅助加热选定功率240kW，起到加快内外壁均温的作用。因此，本项目中最大加热功率为920kW，共使用4台180KW、1台240KW功率热处理机器。

（2）加热器的布置

如图5、6所示：其中对于纵焊缝焊口10b进行热处理，热处理时，考虑温度均匀性要求，采用内外部联合加热的热处理方案。其中外部加热器采用履带式加热器52、53，约68片，680kW，其中履带式加热器52做辅助加热器，以纵焊缝为中间区域，沿修复处焊缝纵向方向铺设加热宽度2000mm；内部加热器采用框架加热器22（22a、22b、22c），共8组，24片，240kW，框架加热器22布置部位以修复的纵焊缝为中心，沿修复的纵焊缝方向布置1600mm，按照标准规范在汽包圆周方向上、下、左、右以及修复焊缝的内外壁同时布置多个控温以及测温热电偶。

（3）按照焊后热处理工艺参数设定焊后热处理工艺曲线，内、外部加热器最高温度均为550℃，恒温6h，升降温速率不超过50℃/h,内、外加热装置同时进行加热，进行焊后热处理。

工程施工中用测温仪器对加热区域进行温度测量，利用百分表对汽包膨胀量进行测量，热处理后进行无损探伤（包括超声检测、磁粉检测、金相检测、硬度检测、残余应力检测），各项指标显示满足焊后热处理技术要求。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种保证大径厚壁管焊缝热处理均匀性的方法，其特征在于：包括：对焊口位置管道的外壁进行加热的同时对焊口位置管道的管腔进行加热，进而加热管道的内壁，

在管道内部设置内部加热器，所述的内部加热器通过热辐射和/或热对流的形式对管道的管腔进行加热，进而对管道的内壁进行加热，所述的内部加热器的延伸方向与管道的轴心线方向一致，所述的内部加热器设置在管道的轴心线上，以待热处理焊口为中心对称布置；

在焊口位置管道的管腔两端分别设置堵板，所述的内部加热器位于两端所述的堵板之间，在所述的堵板内设置辅助加热器；

在管道外部设置外部加热器，所述的外部加热器通过热辐射和/或热传导的形式对管道的外壁进行加热，将所述的外部加热器包覆在焊口位置管道的外壁上，并在外部加热器上包覆保温层。

2.根据权利要求1所述的一种保证大径厚壁管焊缝热处理均匀性的方法，其特征在于：所述的外部加热器采用履带式加热器、或者电磁感应加热器、或者所述的履带式加热器、电磁感应加热器的组合。

3.根据权利要求1所述的一种保证大径厚壁管焊缝热处理均匀性的方法，其特征在于：在管道的内外设置测温部件，根据所述的测温部件测得的温度，实时调整管道的外壁、管腔的温度场分布。

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