大型塔器高空组对焊接后热处理方案分析

第40卷第2期2019年4月化工装备技术
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设计与计算
大型塔器高空组对焊接后热处理方案分析
刘来志*
*刘来志，男，1981年生，硕士研究生。

腾州市，277527
（兖矿鲁南化工有限公司）
摘要大型塔器空中组对焊接后热处理方案共3种：吊车辅吊热处理、传统加固热处理和 无加固措施热处理。

通过对3种热处理方案进行对比分析可知，无加固措施热处理方案可缩
短工期并节约大量施工机具费用。

关键词焊接加固措施热处理中图分类号 TQ 053.5
DOI ： 10.16759/ki.issn. 1007-7251.2019.04.006
Analysis of Heat Treatment Scheme for Large Tower after Butt Welding at
High Altitude
LIU Laizhi
Abstract: There were three heat treatment schemes for large tower after butt welding at high altitude: crane
auxiliary heat treatment scheme, traditional strengthening heat treatment scheme and heat treatment scheme without strengthening measures. By comparing and analyzing the three heat treatment schemes, it could be seen that the
heat treatment schemes without reinforcement measures could shorten the construction period and save a lot of construction equipment costs.
Key words: Welding; Reinforcement measures; Heat treatment
兖矿鲁南化工有限公司低温甲醇洗装置内有十 多台大型塔设备。

因长度和质量的限制，8台塔设 备需要在现场进行空中组对焊接。

现场组对焊接后
需要热处理的塔设备最高达89 000 mm,最大质量为
287.3 t,最大直径为4 400 mm,材质为09MnNiDR o
根据设备吊装质量、吊装高度、现场条件等要求，结 合操作人员丰富的吊装经验和技术人员严谨的理论 计算，采用450 t 履带吊主吊、120 t 履带吊辅吊的方
式进行塔设备吊装作业。

设备制造厂家原热处理方案
为环缝以上部分采用吊车扶持至热处理结束，热处理
辅助吊车则选用450 1履带吊。

工程前期时，设备到
货时间较为分散，设备热处理可以分别采用吊车扶
持；而工程中期时，设备集中到货，450t 履带吊使 用频率较高，无法满足所有设备的扶持要求。

经业主、
设计人员和制造厂家共同探讨、计算、模拟、论证, 最终确定采用无加固措施热处理方案，该方案取得了
良好的效果。

1吊车扶持热处理方案
该方案可采用两种处理方式：一种方式是吊车一 直不摘钩，从空中组对焊接到焊后热处理完毕吊车
2()化工裝备技术第40卷第2期
一直保持吊力，这种情况下吊车的吊心与塔中心线重合，实践证明以该方式进行焊缝热处理是安全可靠的；另一种方式是为了减少吊车占用时间，各分段塔体空中组对焊接强度达到要求后吊车摘钩，待热处理时重新挂钩施加扶持力，这种方式不可避免地会导致吊点与塔中心轴线存在一定的偏差。

以洗涤塔的中下段与下段的组对情况为例，分析摘钩情况下吊车起吊作用力对危险截面的影响。

假设吊臂端钢丝绳与塔中心线夹角为a,吊臂顶端与吊耳距离为30m,热处理时吊力为100t。

扶持起吊力可分解为垂直向上的作用力Gy(100t)和水平方向的分力G*(100tan a t)。

G*对塔器的热处理危险截面施加了一个弯矩载荷
在垂直向上的分力作用下，热处理时危险截面产生拉应力6,可按下式计算：
G、；g100x1000x9.81
6=—^―=-----------------------=2.63MPa(1) ti-D-8 3.14x2700x44
式中：g——重力加速度，取9.81m/s2;
D——塔体直径，为2700mm;
S——塔壁厚度，为44mm。

在水平方向分力作用下对热处理截面附加弯矩载M d,可按下式计算：
M d=G x-g-l(2)式中：I----弯矩力距，为24m。

因此在弯矩载荷作用下，危险截面产生轴向应力6,可按下式计算：
4陆
4x24000x100tan ax9.81xl000
3.14x27002x44
=93.51tana MPa(3)
取a=2°.则6=93.51x0.0349=3.27MPa>cr v
对比cr v和6可以发现，虽然水平方向的分力很小，但由于离危险截面很远(一般不小于20m),即使很小的夹角也会在热处理焊缝处产生较大的轴向压应力。

随着a角的增大，水平分力在热处理焊缝处的轴向压应力足以抵消甚至反超垂直向上的拉应力，对设备的稳定性产生不利影响。

因为吊车第二次挂钩时的不确定因素较多，如人为、机具、天气原因等，夹角的存在是必然的，那么水平分力在热处理焊缝处产生的轴向压应力也是必然且不可控的，这种方式的吊车扶持不一定有利于焊缝热处理的稳定性。

2传统加固热处理方案
传统的加固方案是用龙门卡板、千斤顶、拉马、型钢等工具和材料，在热处理焊缝附近对设备进行加固。

加固机具在热处理时处于高温环境中，不能有效衡量加固机具在600七下的高温机械性能，所以只能按最不利的情况计算。

因此该方案需要大量的钢材和机具，但加固的效果并不能准确地预估，实际作用也不可测，为了保证安全有时仍需使用吊车辅助。

3无加固措施热处理方案
无加固措施方案是在既不采用吊车辅助也不采用机具加固的情况下进行焊缝热处理的方案。

该方案完全依靠设备材料自身的性能来克服热处理时各种不利因素的影响，保证热处理过程中设备的安全性和稳定性，保证热处理后其各项指标符合工艺和规范要求。

3.1焊缝热处理时的应力分析
分段到货的塔设备在空中组对焊接完成、检测合格后对焊缝进行热处理，热处理温度为600T,在该温度下材料的机械性能将大大降低。

综合考虑现场风载荷、垂直度偏差和保温平台分布不均匀引起的重心偏移等因素，分析焊缝截面是否满足热处理时的强度和稳定性要求，是判断热处理时无加固措施热处理方案是否安全可行的重要依据。

依IgGB150—2011《压力容器》和NBfT47041—2014《塔式容器》标准规定的对于塔设备在设计、制造、安装、检验及使用过程中应考虑的载荷因素IT,本次塔设备在现场空中热处理时应该考虑的载荷因素包括：(1)塔式容器自重(包括内件和填料等);(2)隔热材料、附塔管线、扶梯、平台等的重力载荷;(3)风载荷。

3.1.1塔设备的自重情况分析
塔设备分为3段塔体后分别进行制造、检验、验收及热处理。

为了保证现场塔体顺利组对，可在制造厂内进行整体预组装，预装检验合格后每段塔体分段
2019年4月刘来志：大型塔器高空组对焊接后热处理方案分析21
端口外表面4条心线位置均用白色油漆划出并进行点
焊，工装组对后分别运至现场进行立式空中组对。

3
段塔体的具体情况为：下段长度为29729mm,质量
为97t,直径为2700mm,壁厚为44mm;中段长度
为25600mm,质量为76t,直径为2700mm,壁厚
为44mm;上段长度为22860mm,质量为69t,直
径为2700/2200mm,壁厚为44/36mm。

考虑塔体安装垂直度存在偏差，根据GB50461—
2008《石油化工静设备安装施工质量验收规范》的规
定，立式设备安装垂直度允许偏差值为W/1000且不
大于50mm(H为塔体高度),《洗涤塔I现场组装方
案》中规定塔体安装垂直度允许偏差为30mm,按最
不利的情况考虑，即垂直度偏差为30mm0
3.1.2塔附件情况分析
为了减少塔设备安装时的高空作业量，保冷层、
附塔管线和梯子平台在地面进行组装，与塔体一起
吊装就位。

梯子平台的分布是不均匀的，按最极端
的情况考虑塔的载荷分布，即载荷集中在塔的一侧，
则下段-附件质量为4660kg,偏心距为2.15m;中
段-附件质量为25230kg,偏心距为2.15m；上段-
附件质量为17900kg,偏心距为2.15/1.89mo
3.1.3风载荷情况分析
根据GB50009—2012《建筑结构载荷规范》中
的要求，按照枣庄地区百年一遇的最大风载荷0.45
kN/n?进行校核。

在风载荷作用下，塔的热处理危险
截面处产生风弯矩M”。

3.2强度稳定性校核
以质量最大、长度较长的洗涤塔I设备中段与下
段之间的环焊缝为例，对焊缝在热处理时的强度进行
核算。

塔体质量巾。

可按下式计算：
m0-m0,+w O2=76000+25230=101230kg(4)
式中：m oi----塔体中段净质量，为76000kg；
m02—
—附件质量为25230kg(包括保冷材料、
附塔管线、梯子平台等)。

塔体自振周期T(按塔体等直径)可按下式计算：
7=90.33//
mpH E3D3
=90.33x78189x =1.5s
101230x78189*j°"
207000x44x27003
式中：H----塔净高度，为78189mm;
E—材料在设计温度下的弹性模量，为
207000MPa;
8----塔壁厚度，为44mm;
D——塔体直径，为2700mm o
3.2.1风载计算
第i筒节所受的风压P,可按下式计算:
P f KKMD mx E(6)
式中：&——体形系数，取0.7;
K2i——中段筒体的风振系数；
q0——枣庄地区的基本风压值，为450N/m2;
/—风压高度变化系数，按B类地区60m高
度取值,为1.77;
/,----中段塔体计算长度，为25.6m;
D ei---中段塔体有效直径。

则中段筒体的风振系数为：
=1+
2.53x0.88x1.0
1.77
=2.26(7)
式中：脉动增大系数，计算查表得2.53；
V；------脉动影响系数，取0.88；
仏—
—振型系数，取1.0。

当笼式扶梯与塔顶管线布置成180。

时，中段塔
体有效直径2,为：
D ei=D0i+23si+K}+K i+d0+23ps
=2700+88+400+600+300+160
=4248mm(8)
式中：%---中段塔体直径，为2700mm;
----中段塔体壁厚，为44mm;
----笼式扶梯当量宽度，取400mm;
心----作平台当量宽度，为600mm;
d0---塔顶管线直径看，为300mm;
8ps---管线保冷厚度，为80mm。

中段塔体的风压P2为：
P2=K[K2【q J J Q“x106
=0.7x2.26x450+1.77x25600x4248x106
=1.37x105N(9)
危险截面I-I处的风弯矩M初为：
S<256000
M w=p2x——=1.37x10x----------=1.75x10N mm(10)
'22
危险截面1-1处的偏心弯矩MJ-'为：
(5)
22
化工装备技术第40卷第2期
M'-' = m e gl e =25 230x9.81x2 150 =5.32x108N-mm ( 11 )
塔体垂直度偏差在危险截面I-I 处的弯矩m 2'-' 为：
= m^e =25 600x9.81x30 =7.53x106N-mm (12) 危险截面I-I 处的最大弯矩Mm ；为：
= 1.75 x 109+5.32 x 108+7.53 x 106= 1.81 x 109 N mm
( 13 )
3.2.2危险截面I-I 处塔壁轴向应力校核由内压或真空引起的轴向应力6=0。

由重力引
起的轴向应力cr 2为：
加()屯
TtD 28ei
6 =
101 230x9.81
---------------------=2.66 MPa 3.14x2 700x44
(14)
弯矩引起的轴向应力6为:4M I-I
max 6 =
4xl.81xl09
----------------------=7.19 MPa ( 15 )3.14x2 7002x 44
3.2.3塔体稳定性校核
09MnNiDR 与 16MnR 属同一钢种，而 09MnNiDR
材料中的的S, P 元素含量更低，同时09MnNiDR 材 料中含有Ni, Mn 等合金元素，使其具有更好的韧性 和高温强度內。

参照中石化一公司联合清华大学焊接 教研室对16MnR 在475-700 T 温度分段进行的力学
实验数据141,在600七时，16MnR 的屈服强度①600 =
178 MPa,抗拉强度b ”600 = 218 MPa 。

许用屈服强度
[^ = ^/1-6 = 111.25 MPa ，许用抗拉强度[<7]驚=
= 72.67 MPa ，许用应力⑹‘=72.67 MPa 。

筒
体允许轴向压应力 = 1.2 [刃=87.20 MPa ,因为
6 + 6 + 6<0L ,所以塔体不会失稳。

通过计算分析可知，塔体焊缝截面在热处理时压
应力和拉应力最大组合值远小于稳定性校核要求的
许用应力，因此在不使用吊车或加固的方式对塔体进 行辅助固定的情况下，对塔体焊缝进行热处理也是安 全和稳定的。

实际实施前后分别对塔的垂直度进行了 测量，通过对热处理前后垂直度数据的分析对比发
现，垂直度偏差在2 mm 以内且其余参数均满足规范
对垂直度的要求，说明该无加固措施热处理方案安全 可行。

4结论
通过对3种热处理方案进行分析可知，设备有
偏心仍无加固措施的热处理方案是最优的解决方案。

该方案具有节省大量人力、物力，节省大型吊车台班, 减少高空作业，加快施工进度等优点。

随着工艺技
术的进步、产能的提高，装置大型化已是必然趋势,
装置内设备的大型化趋势也是不可避免。

在现有道路 运输、场地存放的局限性条件下，大型设备在现场
组对的情况会越来越多，在保证安全可靠的前提下， 投资少、工期短的方案越来越受到重视。

通过对无加
固措施热处理方案的计算过程不难看出，偏心载荷、 塔体自重、塔体直径、塔体壁厚和风载荷等是校核塔
体稳定性的核心参数，虽然一般情况下无加固措施时 对其进行热处理是安全可靠的，但是针对不同的设备 还是要通过计算来确定是否可采用无加固措施而进
行热处理，以保证方案安全可靠。

参考文献
[1] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.压力容器：GB 150-
2011.北京：中国标准出版|±, 2012.
[2] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.塔式容器：NB/T
47041—2014.北京:新华出版社,2014
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云南化工,2013, 4(X4)： 65-69.
[4] 耿焕然•大型立式设备现场拼装焊缝焊后热处理稳定性分析
[J].机械设计与制造,2005(11)： 122-124.
(收稿日期:2018-08-26
)。