一万立方米球罐焊后热处理及评定研究

球罐是省材、省地、承载能力大的储存承压设备。国内早在上个世纪 60~70年代便掌握了5000m3以下的球罐建造技术、1977年引进国外球片， 在国内安装8250 m 3液氨球罐，90年代后期，国内依靠自己力量对 7000m3球罐进行焊后热处理，到目前为止，国内已建造了20余台10000 m 3球罐，极少量的20000 m3球罐。上个世纪50年代日本就建造过20000 m3 的大型球罐，目前天然气的存储也主要以10000m3至20000m3的球罐为主， 球罐的结构形式主要为混合式。为避免焊后热处理，壁厚都限制在规定范 围之内。 对于超过7000m3的球罐，国内从未进行过焊后热处理，主要原因是无 法验证所编制焊后热处理工艺正确性，担心焊后热处理时球罐保温温度的 均匀性和稳定性，以及焊后热处理过程中球罐整体或局部失稳。 焊后热处理前对焊后热处理工艺进行评定，以预测焊后热处理时焊件 温度分布，应力、变形状况，从而确保焊后热处理质量。研究焊后热处理 工艺评定方法，不仅是解决大型球罐焊后热处理的需要，亦是整个焊后热 处理行业从“感性”走向“理性”的必然。 所谓焊后热处理工艺评定，就是验证所拟定焊后热处理工艺的正确性。 机械的模拟试验与见证件试验，对于球罐这类大型承压设备显然都不现实。 也没有成熟经验可供参考借鉴，我们积极采用有限元分析计算和数值模拟 仿真技术进行焊后热处理工艺评定研究。 2004年前后国内杂志上曾发表了文章，对球罐焊后热处理工艺进行了 数字模拟仿真研究，但没有工程实践佐证。我们结合10000m3球罐工程实 例，运用了有限元分析计算和数字模拟仿真技术进行焊后热处理工艺评定 研究，不仅对10000m3球罐成功进行焊后热处理，而且掌握了球罐焊后热 处理工艺评定方法，可以说开启焊后热处理走向“理性”的大门。
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一万立方米球罐焊后热处理及评定研究
2014年10月20日 宜昌
前言
焊后热处理能够消除焊件残余应力，调整焊接接头的组织和性能，是 焊接构件建造过程中重要的、无可替代的工艺。在锅炉、压力容器、压力 管道行业普遍运用焊后热处理。 承压设备发展趋势的大型化、高参数、长周期，这将导致承压设备壁 厚增加、外形尺寸加大，结构复杂、介质恶劣、温度向两极发展、钢材合 金化多样，承压设备的发展更加需要先进的焊后热处理配合。 承压设备在焊后热处理过程中，钢材在高温时抗拉强度、屈服强度等 性能大幅度下降，设备的自身重量将会引起稳定性不足，造成构件整体或 局部失稳，若当承压设备中存在过大应力时，则会造成设备的破坏。焊后 热处理具有整体性，一次性和终结性的特点。焊后热处理与焊接、无损检 测工艺不同，焊后热处理大都是一次连续完成，则热处理质量也随之确定， 要么整体成功，要么整体失败，很难有重新再来的机会，也不存在“返修” 的可能，这就要求焊后热处理工艺正确、可靠。现实告诉我们，焊后热处 理的实践性极强，焊后热处理工艺基本靠经验。到目前为止，尚未见到在 焊后热处理前，有验证焊后热处理工艺正确性的程序，焊后热处理工艺编 制完成后，却不能预知焊后热处理完成后，焊件能否达到预想的结果。焊 后热处理还处于“感性”阶段，令人担忧！“理性”的进行焊后热处理是 业内人士的梦想。
5 编号为QT 2011—1的10000m3球罐焊后热处理工艺参数记录和球 罐各项检测，检验结果均符合GB/T 12337—1998和设计文件规定。 研究与实践经验证明，当球罐用内燃法进行焊后热处理时，确保热 气流螺旋状离开喷咀，强制热气流在球罐内部流动轨迹和适时维持 球罐内部正压力是确保焊后热处理成功的关键。 6 数值模拟仿真结果表明，10000m3球罐焊后热处理的温度场分布 规律与温度值、球罐外径形变量均与工程实例测量数据接近，并都 在球罐标准与设计规定范围内。 7 10000m3球罐成功进行焊热处理，也证明了有限元分析计算和 数值模拟仿真技术是焊后热处理评定的有效方法。
结论 1 本课题组在国内最早提出“焊后热处理工艺评定”理念，首次运用 有限元分析计算、数值模拟仿真技术评定10000m3球罐焊后热处理 工艺的正确性后，成功实施全国第一台进行焊后热处理的10000m3 球罐。 2 运用有限元方法对10000m3球罐在焊后热处理保温阶段计算了温 度场，对强度、刚度进行了安全校核。考虑到制造、安装的误差， 应用分析设计标准对球罐应力进行了评定，确定了焊后热处理过程 中支柱底部移位数值，为10000m3球罐焊后热处理工艺提供了理论 支持和技术保障，提高了焊后热处理的安全性、可靠性。 3 运用了数值模拟仿真技术对10000m3球罐焊后热处理工程实例， 提出虚拟工艺试验的理念，通过流固耦合方法，进行数值模拟仿真 分析，预测了焊后热处理过程中球罐内部流场、温度场、应力场和 球罐外径形变量，对球罐实施焊后热处理有较强的理论指导和过程 预测作用。 4 有区别的控制球罐各带球壳板曲率，严格控制球片压制尺寸公差 、赤道线水平误差和各支柱长度允差而制造安装的10000m3球罐， 组焊后经检测，检验结果完全符合标准与设计文件的规定，为顺利 完成焊后热处理创造了必要的条件。