孫愛萍 潘 鑫喬新泉胡秋英

1河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術學院 河北石家莊 050026；2中國化學工程第十四建設有限公司 江蘇南京 210044

1 概述

為了消除儲罐在焊接過程中產(chǎn)生的應力,穩(wěn)定儲罐幾何尺寸,提高金屬的韌性和抗應力能力,同時防止延遲裂紋產(chǎn)生,改善儲罐使用性能,國內對壁厚大于34mm的各種材質的儲罐都進行熱處理。

某藥業(yè)罐區(qū)項目施工中的30%氰化鈉儲罐,由于儲罐介質為高危介質,為儲罐使用安全考慮,需消除焊接應力,設計要求整體熱處理。儲罐容積200 m3,公稱直徑6000mm,高7800mm,主體材質Q345R,壁厚10mm,設計壓力3000Pa。《立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工規(guī)范》GB50128-2014、《石油天然氣建設工程施工質量驗收規(guī)范儲罐工程》SY4202-2016及《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》GB50341-2014等標準規(guī)范均無相應要求。經(jīng)咨詢及研討,參照NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》,進行儲罐整體熱處理。

2 熱處理工藝及選擇

2.1 熱處理工藝及溫度

施工現(xiàn)場儲罐整體熱處理主要采用內燃法和電加熱法。若采用燃油內燃法,為防止噴嘴位置罐壁過熱及積油燃燒會導致罐底過熱,需在罐內安裝擋油盤,罐底采取防止積油措施。同時,氰化鈉儲罐設計壓力為3000Pa,燃燒器鼓風機壓力為3200Pa,燃燒后儲罐內壓大于設計壓力,為施工安全考慮,選擇電加熱法進行整體熱處理。

由于罐壁較薄,溫度越高,其許用應力越小,其罐壁支耳和罐底支撐越不穩(wěn)定,同時考慮到罐基礎的原因,采用降溫熱處理,熱處理溫度570℃,最低保溫時間為24min,降溫允許值為30℃、55℃、80℃、110℃共四擋,降低溫度后最短保溫時間分別為2h、4h、10h、20h。

2.2 保溫層結構

熱處理過程中保證外表面溫度不超過60℃,使用硅酸鋁棉保溫材料,保溫層厚度80mm,為保證整個罐體不出現(xiàn)漏縫,罐壁采用55%搭接安裝方式,前后塊硅酸鋁棉壓蓋處不小于55%。

罐底位置墊棉采用交錯法,用鐵絲將數(shù)塊棉連接起來拉長向上包起,整個底板包完一層后,將第二層面與第一層面90°方向位置穿入向上包起,罐底保溫層平均厚度120mm。在保溫棉安裝過程中連同熱電偶同時安裝,相鄰熱電偶之間距離不大于4.5m。

為防止儲罐將保溫棉壓實,影響保溫效果導致儲罐基礎瀝青砂融化,同時也防止儲罐在熱處理過程中罐壁支耳處受熱產(chǎn)生變形,保溫層鋪設時將罐底輔助支撐點的鋼板臨時取出,待保溫棉包覆后再放置于保溫棉下面,整體熱處理時將儲罐落下壓在支撐墊板上。

2.3 加熱板布置

保溫棉、熱電偶安裝完成后進行電加熱板安裝。在罐內搭設腳手架,腳手架高度5850mm,約為儲罐高度的3/4。電加熱板橫向安放在腳手架上,分為4圈,每圈6塊均布,電加熱板與罐壁間距不小于400mm,為防止儲罐局部過熱,嚴禁將電加熱板貼在罐壁上。安裝時中間兩圈微內收,上下兩圈略外擴,擺放方式以保證罐壁不出現(xiàn)局部過熱,同時保障罐底大角縫與罐頂包邊角鋼部位充分受熱,電加熱板的進出線使用銅線,并穿陶瓷管以絕緣。

電熱板安裝調試完成后封閉上人孔,先預加熱,檢查是否存在接觸不良及漏電現(xiàn)象,加熱至50～80℃,檢查腳手架是否穩(wěn)固、儲罐是否有異響、熱電偶及記錄儀是否正常,加熱至100℃檢查儲罐是否出現(xiàn)熱變形以及各個熱電偶位置的溫差情況。有問題及時排除后,進入正式熱處理程序,在熱處理過程中隨時檢查儲罐狀況。

3 質量控制技術難點分析及措施

3.1 質量控制技術難點分析

氰化鈉儲罐罐壁薄,罐底、罐壁及罐頂壁板均僅為10mm,罐頂及罐底焊接為搭接,儲罐基礎為瀝青砂結構。其質量控制技術難點主要如下:

(1)儲罐基礎為瀝青砂結構,溫度超過80℃時會對基礎造成損壞。

(2)罐底搭接角焊縫在提升及受熱膨脹時可能將焊縫撕裂。

(3)罐頂搭接角焊縫在熱處理恒溫過程中罐頂人孔由于重力作用可能將罐頂壓塌。

(4)由于罐壁剛度較小,在整體頂升及熱處理過程中支耳處易引起塑性變形。

3.2 技術措施

針對以上質量控制難點,現(xiàn)場采用技術措施如下:

(1)對于瀝青砂結構基礎,操作時用千斤頂將儲罐頂升10～20cm,在罐底鋪兩層保溫棉,采隔熱措施將儲罐與基礎分離,熱處理時控制儲罐保溫棉外側溫度不高于60℃。

(2)罐底的搭接焊縫在頂升前采取防變形措施,在底板焊縫位置加焊立筋,立筋要跨焊縫布置,焊縫兩側不少于200mm,整塊底板中間位置加焊筋板,熱處理后將筋板打磨下來,注意點焊時不得傷及母材,需采用相匹配的焊條,拆除時嚴禁敲擊以防撕裂母材。

(3)罐頂焊縫位置也采用立筋加強的方法,在徑向和緯向兩個方向加焊立筋。若現(xiàn)場具備條件,也可用鋼筋或圓鋼在人孔處制作一個加強吊桿或用手拉葫蘆加強。

(4)頂升時在罐底與罐基礎之間加塞鋼板防止儲罐傾倒,每頂升20mm塞進相近厚度的鋼板,每個支腿位置至少安放一組,在頂升過程中注意監(jiān)測儲罐的垂直度,其傾斜度不得超過1度,同時保持千斤頂垂直頂升,防止傾斜時產(chǎn)生水平方向的力矩,使千斤頂失穩(wěn)。

4 關鍵工序分析計算

4.1 支腿分析計算

支腿選型為盡量靠近筒體,減少筒體壁板所受彎矩,減少變形量,選用A型短臂帶墊板式支耳,材質采用罐壁板相同的材質Q345R。

支腿計算參照JBT 4712.3-2007《容器支座》第3部分耳式支座。因其標準適用范圍為不大于4m的圓筒形容器,現(xiàn)場實際適用時應參照計算取相應的安全系數(shù),其支腿規(guī)格見尺寸表1。

4.2 電功率計算

現(xiàn)場使用的電加熱板單塊功率為10KW/h,供電電壓為220V,升溫要求為55℃～120℃,鋼材比熱容C鋼=0.46×103J/（kg·℃）,空氣比熱容 C氣=1030J /（kg·℃） ,空氣密度ρ=1.293g/L,玻璃布比熱容C棉=1060J /（kg·℃）,輻射系數(shù)K=0.94(參考玻璃拋光平面輻射系數(shù))。儲罐外表面積為208m2。熱輻射損失為簡化計算,取儲罐保溫棉外表面溫度為60℃,環(huán)境溫度為20℃。

表1 支腿規(guī)格尺寸表

由于采用電加熱進行熱處理,在熱處理過程中主要熱損失為保溫絕熱層熱損失,能量輸入計算到恒溫完畢,儲罐升溫所需熱量、罐內空氣升溫所需熱量、保溫棉升溫熱量之和即為所需熱量。

儲罐升溫所需熱量Q1:

式中:m1為儲罐質量,T為熱處理恒溫溫度;

罐內空氣升溫所需熱量Q2:

式中: 空氣質量 m2=V×ρ=200×1.293kg/m3=258.6Kg;

保溫棉計算時由于棉內有溫度梯度,內部保溫以空氣為主,保溫棉體積為儲罐體積的9.2%,取值10%,保溫棉升溫需能量Q3:

考慮到熱損失、硅酸鋁制品導熱系數(shù)、絕熱層放熱系數(shù)、保溫棉厚度、熱處理內部溫度、外表面積等因素,得:Q損失=111.062KW

每塊加熱板10KW,共計24塊,總功率240KW,恒溫時開到總功率的46.28%,升溫時升溫速率≥55℃/h,為保證熱處理安全,綜合考慮取60～120℃/h,所有升溫過程中熱損失為:

經(jīng)過9.2小時的升溫,儲罐由常溫升到570℃,總輸入能量為:

則升溫時平均功率N為161.5KW,取系數(shù)1.25,實際需求功率U為:

4.3 電纜選擇計算

現(xiàn)場進線分為兩路,每路線路提供功率P=100KW,操作電壓為220V,三相電纜每相約152A,現(xiàn)場臨時電纜敷設方式是埋地敷設,系數(shù)取1.43,電纜選擇參照電流為:

則選擇電纜為95平米以上鋁芯電纜或70平米以上銅芯電纜。

5 結語

總結該項目的立式儲罐熱處理工作,選用在罐內均勻布置電加熱板,利用電熱能量轉換后產(chǎn)生的熱輻射加熱罐體的整體電加熱法,使儲罐整體加熱均勻穩(wěn)定、無燃燒廢氣、干凈清潔。操作過程中嚴格按照方案執(zhí)行,整個熱處理過程無異常情況,各個測溫點正常,曲線平滑無波動,取得了良好效果。