大型球罐整体热处理

董怀胜　魏　淳

摘要：通过工程实例，简要介绍大型球罐整体热处理技术。

关键词：球罐内燃法整体热处理

0引言

球罐是一种存储气体、液体或液化气体的压力容器，广泛应用于燃气行业。由于球罐在焊接过程中，焊缝部位存在较大的残余应力，因此，焊后热处理是消除球罐焊接残余应力，改善焊接接头及母材性能，保证球罐质量的重要技术手段。目前国家提倡使用清洁能源，燃气作为民用燃料的重要组成，正得到日益广泛的应用。建造大型球罐对减少工程土地占用、节约建设投资、降低维护成本等方面，有着积极而深远的影响。球罐作为城市中转储存天然气常用的设备，在“西气东输”工程中已得到了具体体现。同时，大型球罐焊后热处理的重要性也更加突出。

1DCS-HY微机控制整体热处理设备性能

目前国内球罐燃油热处理普遍采用的是HAUCK型燃油喷嘴，在最大燃烧状态下，受喷嘴结构限制，通常只能对2000m³及以下容积球罐进行有效处理，且操作系统较为复杂，不便于控制。DCS-HY微机控制大型球罐燃油焊后整体热处理设备是根据大型球罐现场焊后整体热处理高速喷嘴内部燃烧法的特点和技术要求，选用德国EK9.1000L-R轻柴油燃烧器。该设备基于现代计算机技术、把数据通讯、显示装置、过程控制和智能化数字仪表有机的结合起来，组成高性能控制系统，具有分散控制、分散风险、集中操作、集中管理的优点。2003年在浙江中油华电能源有限公司小门岛中转站，安装了两台16MnR钢制7000m³丁烷球罐。要求焊后进行整体热处理。为了提高球罐整体热处理质量，增强球罐使用性能和安全可靠性，降低费用，根据我公司球罐的现场组焊经验，采用了DCS-HY内燃法对球罐进行焊后整体热处理。

2球罐的主要参数

7000m³丁烷球罐的球壳材质16MnR(见表)，球壳厚度为34/35/36mm；球罐容积为7000m³；设计压力0.97MPa；容器类别为三类压力容器。

3热处理工艺参数及加热方法

加热时，温度在300℃及以下可不与控制。进行热处理时，采用DCS-HY内部燃烧法加热。施工时，将高速喷嘴安装在球罐的下人孔，以球罐本身当燃烧室；上人孔安装一个翻版排烟筒排除烟气；球罐外表面包裹无缄超细玻璃棉防止热量散失。在球罐内部距下人孔4米处悬挂直径为6.5m导流伞，促进球罐内部形成良性对流，使球壳各部分相对均匀加热，并通过控制系统完成整个热处理过程。球罐的冷却是通过自然降温和风机的手动操作来达到降温目的。

4热处理工艺系统

本系统的控制对象为球罐外表面温度。硬件系统由控制室中的温度控制柜、烧嘴控制箱、球罐现场的传感器和轻柴油燃烧器(EK9.1000L-R)等组成。网络通讯按照RS-422和RS-485标准，使用的规定符合ANSI X3.2标准。网络通讯媒介采用双绞线和屏蔽线，传输速度9600bit/s，传输最大距离1.2KM。

4.1系统硬件配置及功能①上位机：对整个运行过程进行集中监视，控制和管理。与下位仪表通讯，读写数据，进行网络管理。②下位机：上部6台SWP-D809巡检仪与上位机有数字通讯接口，实现对球罐全部测温点的巡检。两侧是ER188(24点打点)记录仪，用于球罐罐壁温度的记录。

4.2现场传感器及执行机构①温度传感器：热电偶数量和分布根据球罐大小和工艺要求进行布置。另外还设试板热电偶3个，烟道热电偶1个和和烧嘴控制点12个。②执行机构：德国欧科EK9.1000L-R轻柴油燃烧器。输出功率2490-11409KW，耗油量210-962Kg/hr。

4.3本系统的控制对象为球罐外表面温度。硬件系统由控制室中的温度控制柜、烧嘴控制箱、球罐现场的传感器和轻柴油燃烧器(EK9.1000L-R)等组成。温度监控系统由热电偶，补偿导线，巡检仪和微机集散控制系统对温度进行智能化测量，监控。①测温点布置：按照技术要求测温点应均匀布置在球壳表面，相临测温点的间距不宜大于4.5米。距上下人孔与球壳板环焊缝边缘200mm范围内须设测温点各1点；产品试板上应设测温点。烟道设测温点1个。②热电偶安装：热电偶安装采用储能式热电偶点焊机，按照测温点布置要求将热电偶牢固的焊在球壳外侧，在点焊前，应对各个测温点处进行打磨处理见金属光泽，这样才能使热电偶与球壳接触更加牢固。烟道和试板应单独设热电偶。补偿导线应妥善固定，以放烧毁。各热电偶，补偿导线均采用K型。③温度监测：温度监测配置两套系统，一套是ER188-G13CA-N*B型长图自动平衡记录仪，共可记录120个测温点。另一套是微机和巡检仪集散型温度监控系统，1秒钟扫描一个测温点巡回检测各测温点的温度，并与设置的热处理工艺曲线进行实时对照，从而向燃烧器给出具体燃油控制量，同时按工艺要求打印各测温点的温度巡检表。④热处理前的准备工作：热处理前将球罐支柱拉杆及地脚螺栓全部松开，以保证热处理过程中的位移，在每一个柱腿处安装千斤顶一台，并对每一个柱腿处设置垂直标准点(径向环向)柱腿移动前在基础板上做出移动量刻度进行移动。⑤烟道系统：烟囱安装于球罐上人孔上，高2m，由500mm*4mm*1000mm钢管两节组成，并安装旋转阀控制烟气流量，下部设一测温点，测量烟气温度，用来判断罐内的燃烧情况。

4.4保温方法球罐保温采用超细玻璃纤维棉，总厚度100mm。保温棉采用钢带和保温钉固定，首先按球罐大小均匀分布钢带，按间距600mm横向分布。保温棉规格800mm*6000mm大小，应防止下半球安装的保温棉下榻脱落，安装保温棉时要用22#铁丝在保温钉上交叉绕紧。球罐上下接管均应扣上盲板进行保温，从柱腿与球壳板连接焊缝的下端算起向下1m长度范围内的支柱需保温。在运行期间应安排专人值班进行保温巡检，发现保温漏洞能及时加以补救。

5热处理操作程序

5.1热处理操作流程图

5.2热处理操作程序①热处理前的准备工作：a球罐球体，人孔，接管及预焊件等必须全部焊接完毕，并经外观检查和无损探伤检查合格。b所有无损探伤检查工作必须完成，报告齐全，报监检部门审查合格。c球罐内外表面质量和几何尺寸应检查合格，记录齐全。d产品焊接试板检验合格，并经监检人员确认，试板应在球壳高温区固定可靠。e所有原始资料齐全，并经质保体系责任人员签字认可，经监检单位和甲方确认。f热处理设备必须全部检查安装好，各系统应调试完毕。g供电系统经全面检查符合要求，并和有关部门联系，确保热处理期间不断电。h随时掌握气象资料，热处理时应避开大风与下雨天气。i各岗位人员应齐全到位，并经培训上岗，分工协作。j施工技术方案应向现场技术负责人进行技术交底。

5.3热处理方法①安装准备：将燃烧器安装于球罐下人孔，罐内安装导流伞，上人孔安装烟囱(全位置开)；a按工艺要求布置焊接试板及加热元件；b按工艺要求布置测温热电偶，保证热电偶接线编号正确并接触良好(点焊)；c球罐外包好保温棉；d将热电偶和试板的加元件接线至集装箱控制系统温控柜后部，检查并保证全部输入端子编号正确并接触良好，不用的热电偶端子短路；e将燃烧器配套的风机马达，油泵马达和控制电缆接至集装箱控制系统温控柜后部，检查并保证全部输入端子编号正确并接触良好；f安装集装箱总电源；j安装燃烧器邮路系统，检查并保证油泵与风机转动方向正确。②点火程序：进入系统工艺参数表，设定工艺参数，设定烧嘴控温仪为手状态，调整输出OP值为对应燃烧器小火开度。a进入温度控制表格，输入与试板对应的巡检点序号；b进入温度巡检表；c打开长图记录仪的电源开关和记录开关；d风机手/自动开关置自动，将程序启/停开关置于启动，即可；e电火完毕，应到现场观察烧嘴火焰是否稳定，否则进行调整。③加热过程控制：对球罐加热设备提供两种操作方法即：自动和手动。对大型球罐热处理升温时温差的控制起到了不可忽视的作用。a微机自动控制：将控温柜上热电偶选择开关KN置于自动，由微机根据现场实时采集数据进行计算自动选择控温热电偶，根据设定的控温曲线要求，燃烧器自动调节火焰大小。b手动控制：将控温柜上热电偶选择开关KN置于手动，调节OP输出，使燃烧器比例调节阀开度变化来调节燃烧器，由人工选择安装在控制台下方柜内的小开关1-12来选择闭环控温热电偶。

6热处理实际参数记录及检验测定结果(见表1)

该球罐共布置89个测温点，每点热电偶通过K型补偿导线与温度传感器端子相连，数据采集后送至微机，运行当中微机，长途记录仪和巡检表实时对各测温点的数据进行监控、分析和处理。并根据实际情况的记录，绘制温度曲线。在热处理过程中导流伞对温差的控制起到了很大的作用。使球罐内形成了良好的对流，热量燃烧的更充分，球壳的温度更加均匀。如不用导流伞(如图所示)，它们对比就一目了然了。

7结语

采用DCS-HY大型球罐焊后整体热处理设备对7000m³球罐顺利地进行了焊后整体热处理，其各项数据参数完全达到了标准热处理工艺要求。与同类热处理设备相比，简便易行、节省燃油、时间短。尤其是这套设备的高速喷嘴(德国欧科EK9.1000L-R轻柴油燃烧器)热效率高、燃烧充分、节省能源。两台7000m³，壁厚36mm的球罐焊后整体热处理，共耗0#柴油89桶，平均每台球罐仅耗油44.5桶0#柴油。因此：①通过球罐热处理实例(天津6250m³，δ=44mm；江阴4台5000m³，δ=36mm；温州两台7000m³，δ=36mm等)，可以看到采用DCS-HY大型球罐焊后整体热处理设备，方法是可行的，工艺设计是合理的。②根据所测数据完全达到了GB50094—98《球形储罐施工及验收规范》和《压力容器安全技术监察规程》的热处理工艺要求。③经实践，高速喷嘴燃烧器(德国欧科EK9.1000L-R轻柴油燃烧器)运行、控制可靠，燃烧充分、稳定，安全性能好。因此，这套装置标准化程度高、系统可靠性高、控制精度高、扩展灵活、使用方便。④球罐中制作和安装倒流伞，使罐内热流形成充分的对流传导，球壳温度更加均匀，温差更加减小。⑤热处理费用低，仅是同类装置热处理费用的三分之一。