现场组焊设备整体热处理技术

张 东，吴 俊，王 超

中国石油天然气第七建设有限公司，山东青岛 266061

哈萨克斯坦PKOP奇姆肯特炼油厂，位于古丝绸之路交汇点的南哈州首府奇姆肯特市，是哈国三大炼油企业之一。该厂于上世纪80年代建设，由于工艺落后逐渐不适合发展需要，鉴于此，在中哈两国政府的支持和石油公司的努力下，以恢复产能600万t/a、提高加工深度、改善环保标准为目标，决定对其进行升级改造。

该项目现场组焊的非标设备比较多，采用不同的热处理方法，其中需要进行整体热处理的设备多达14台，是一个热处理系统工程。因此必须提前做好充分的策划，既要考虑到这些设备热处理之间的特性，也要考虑到他们的共性，找到最佳的接合点，在保证质量和安全的前提下，达到经济、合理、高效的热处理目标。

1 工程概况及特点

哈萨克斯坦PKOP奇姆肯特炼油厂的现代化改造以新建200万t/a重油催化裂化装置为主，主要包括100万t/a催化汽油加氢、火炬系统等13套装置的改造。由于部分设备尺寸较大，受国外运输条件限制等，经过对整个改造项目所有非标设备进行梳理，结合我国和哈国沿线的运输能力等进行综合考虑，确定了该改造项目现场组焊设备的整体热处理工程量，见表1。

该工程项目的特点如下：

（1）由于受国内外运输条件的限制，增加了设备现场热处理的工作量。

（2）热处理设施、材料及人员受出关及签证等要求的限制，增加了施工组织难度。

表1 现场组焊设备整体热处理明细

（3）国外依托条件差，需做好热处理的充分准备，以保证热处理的顺利进行。

2 热处理目的和整体筹划

2.1 热处理目的

消除热处理设备在组装和焊接中产生的残余应力，稳定几何尺寸；进一步释放焊缝中的有害气体，预防焊缝氢脆和裂纹的发生；改善焊接接头和热影响区的组织性能，降低硬度，提高塑韧性，达到提高设备使用寿命的目的[1]。

2.2 热处理整体筹划

根据表1统计，共有14台设备需要在现场进行焊后整体热处理，由于设备尺寸各不相同，采用同一热处理方法，将导致热处理作业的极大浪费和不适用。因此，为保证现场组焊设备热处理的经济、效率和质量的最优化，经过充分讨论和分析，确定了以下热处理方法。

（1）关于三级旋风分离器上部球形封头部分的热处理，由于该结构尺寸较大（直径达7.6 m），不能在热处理炉内进行处理，且由于封头高度较低，采用内部燃油法处理时火焰长度不均匀，因此采用内部设置电加热片、外部温度自动控制和测量的方法进行热处理。

（2）关于其余13台现场组焊设备的热处理，由于设备形状较规则，均为塔器和储罐类长圆形设备，为保证热处理效果和利用率，根据13台设备中最大的设备即分馏塔的尺寸（直径5.4 m，长度25 m），在现场塔设长30 m、高和宽各7 m的模块化热处理炉一座，13台热处理设备按照组焊完成时间，可一台或多台在炉内完成热处理。

3 热处理措施

3.1 三级旋风分离器封头热处理

3.1.1 基本参数

根据图纸要求，三级旋风分离器（简称三旋）上封头焊后需进行热处理，上封头为球型封头，内径7 600 mm，材质为Q345R，壁厚46 mm，设计压力为0.35 MPa，设计壁温343℃，设计介质温度788℃，热处理封头质量约31 t，如图1所示。根据现场资源等条件，决定在现场分片组焊完成后，采用将封头扣在平整地面上、内部设置电加热片、外部进行绝热保温的方法进行热处理。

图1 三级旋风分离器上封头外观

3.1.2 热处理工艺要求

三旋封头热处理工艺按图2曲线执行[2]。

图2 三旋封头热处理工艺曲线

（1）升温速率。当温度小于400℃时可不予控制；大于400℃时，升温速率控制在80～120℃/h之间，实际设置为100℃/h。升温时的最大温差≤120℃。

（2）保温时间。保温时间为120 min，保温最高与最低温度之差不宜大于80℃。

（3）降温速率。当温度≤400℃时可不予控制；大于400℃时，降温速率控制在100～140℃/h之间，实际设置为120℃/h。

3.1.3 三旋封头热处理措施

主要包括以下四个方面[3]：

（1）热处理场地布置。在现场设置一处至少10m×10 m的场地，先对场地进行清理及找平，然后在其上敷设厚度不小于200 mm、直径不小于9 000 mm的硅酸铝针刺毯，再在其上摆上8根20号工字钢，每根长1 m，摆成对称的八卦型。

（2）热处理加热装置布置。在工字钢设置完毕后，根据热工计算，确定电加热片数量和位置，保证热源的供给和稳定。电加热片为框架式陶瓷电加热器，共设置56片，每片10 kW，采用2台DWK-I型电脑温控仪控制。炉内电加热器的布置固定应尽量做到温差最小，底部均匀布置。炉内电加热器的连接采用φ6 mm的不锈钢圆钢，两根合并使用，引出炉外再用特制连接器与外导线连接，接到DWK-I型电脑温控仪，每组零线焊在一起。所有加热器均采用星形接法，同步通电加热。温控柜、电加热片布置见图3～4。三旋炉内热处理控温设备采用国内最先进的DWK-I型电脑控制设备，共2台，温度控制范围0～1 000℃，控制精度±1℃，将设定的工艺参数输入电脑进行温度控制及记录。

图3 温控柜布置

图4 电加热片布置

（3）设备就位及保温设置。电加热片布置完毕后，扣上热处理封头，见图5。在封头外部设置热处理保温披挂，以顶部大接管根部为中心向下进行点焊，共设置30条披挂，最下部间距为800 mm，然后采用硅酸铝针刺毯进行不小于100 mm厚的保温。3个大接管采用披挂进行保温，端部用铁皮进行封堵，并在中心设置可调通风孔。顶部接管通风孔不小于DN250，侧面两大接管通风孔不小于DN150，在热处理过程中通风孔打开，并根据接管检测温度进行调节，见图6。

图5 封头摆放

图6 封头保温

（4）测温系统设置。本设备共设置2圈测温热电偶，下圈均布5支，上圈均布4支，另在其他两个大接管下部各设置1支热电偶，共11支，如图7所示。

图7 热电偶布置示意

3.1.4 热处理步骤

其一，热处理前检查热处理封头是否全部具备条件，设备焊缝、垫板、接管和内部连接件焊接应检测合格，并完成保温披挂的设置。其二，热处理前提前查看天气情况，选择无雨、无大风等时段进行热处理。其三，热处理场地设置完毕，电加热片等布置完毕。其四，封头吊至指定位置。其五，封头保温、热电偶、焊接试板布置完毕。其六，现场设置警戒区域，通电调试，合格后进行热处理。其七，热处理过程中和完成后检查热处理曲线，并应对热处理设备进行检查，看是否有明显异状。

3.1.5 热处理后的质量检查和评定

热处理过程实行全过程检查制度，首先检测热处理温度控制有无异常变化，曲线波动是否合格，然后专人对热处理进行全过程巡检，保证热处理过程无异常。现场组焊设备热处理后按要求对A、B、D焊缝进行硬度检测，每处按5点进行，即焊缝区、两侧热影响区、两侧母材区各测一点，硬度值应≤220 HBW，如有不合格，允许重新打磨后再检测，若再次不合格，则重新进行热处理直至合格。

经过精心筹划和提前准备，顺利完成了热处理工作，并取得了良好的效果。

3.2 设备炉内热处理

3.2.1 热处理炉建造[4]

考虑到13台进炉热处理设备中最大的设备为分馏塔，直径5.4 m，长度25 m，决定在现场预制厂房东部建造长30 m、高宽各7 m的热处理炉一座；再考虑到其他热处理设备的长度范围，决定把热处理炉分为8个模块，中间6块每个模块长4 m，两端每个模块长3 m。按每1.5 m的距离布置一对喷嘴（D_320C/Z4-121G），共计40个，在炉两侧交叉布置。保温采用定型块。热处理炉如图8所示。热处理设备可按实际长度，采用相应的模块数量进行热处理。

图8 热处理炉设计图

3.2.2 工艺设计参数

炉型为可拆卸燃油热处理炉，炉膛为30 000 mm×7 000 mm×7 500 mm（分8个大模块），底部不设置炉台和台车，炉子直接座落在压实平整的地面上。最大工件尺寸，φ 5 400 mm×28 000 mm（直径×长）；有效加热区尺寸：30 000 mm×6 500 mm×6 500 mm（长×宽×高）；最大装载量：200 t（不含支座）；最高使用温度：850℃，工艺常用温度：600～750℃；炉温均匀性：有效加热区，保温时≤±10℃；升温速率：55～220℃/h（满载时）可调（≥400℃时），降温速度：55～280℃/h可控（≥400℃时），空温升温时间：≤2 h；燃料及发热值：0#～-10#轻柴油，低发热值，约43 960 kJ/kg；燃料最大消耗量：1 150 kg/h。烧嘴类型：一体燃烧器、明焰加热、大/小火脉动燃烧；烧嘴数量：TBL85P型（850 kW），意大利百得原装二段火燃油燃烧器，共24台；油箱及管路：炉体二侧各配一只8 t油箱，并配油泵、过滤器及油位显示尺；控/测温热电偶：镍铬-镍硅（K分度号），共24支（两侧控温）；控温区：24区（一控一）；全炉电力安装总功率：20 kVA（三相四线，～380 V/50 Hz）；炉体表面温升：≤50℃；控温方式：西门子S7-300 PLC+西门子Wicc6.0组态软件集散式控制系统，采用工业以太网开放式网络结构，具备随时查看近五年各炉记录并打印记录，有纸记录仪采用上海大华品牌。环保要求：排烟、噪声、环卫、安全等达到国家行业标准。建造完成的热处理炉如图9所示。

图9 建造完成的热处理炉

3.2.3 分馏塔等13台设备炉内整体热处理工艺

分馏塔等13台现场组焊设备基本参数见表1，由于工艺相近，热处理程序基本一致，因此以分馏塔为例，对炉内整体热处理工艺进行详细叙述。

（1）分馏塔基本参数。分馏塔直径φ5.4 m，长5.137 4 m，塔体下部选用（S11306+14Cr1MoR）复合板，厚度为（48＋3）mm，上部选用Q345R钢板，厚度为18 mm，塔体下部复合板部分需进行焊后热处理，外形见图10。

（2）分馏塔热处理工艺。热处理工艺按图11的曲线执行。

（3）热电偶布置。测量热处理温度的热电偶布置，按规定间距不得大于4 600 mm，本设备长度为22 500 mm，因此共设置5圈，每圈均布4支，其中一支须设置在底部，另在封头外侧中心处设置一支，焊接试板设置一支，共22支；设置时宜在距焊缝边缘20 mm左右处，用螺栓拧紧。热电偶布置见图12[5]。

图10 分馏塔外形

图11 分馏塔热处理曲线

（4）热处理主要步骤。其一，热处理前检查分馏塔热处理段是否全部具备条件，完成设备焊缝、垫板、接管和内部连接件焊接，并检测合格，热电偶固定螺母按指定位置固定完毕；其二，热处理前提前查看天气情况，选择无雨、无大风等时段进行热处理。热处理前需在储油罐里储备10 t以上的柴油；其三，热处理炉在热处理前提前拆卸，全部拆卸直至剩最后一块，并在底部设置3对型钢进行支撑，每对型钢采用H250型钢两根重叠点焊在一起，型钢底部找平并铺设钢板，待设备吊至型钢上后用锲子稳固；其四，热处理段在第一预制场制作完毕后，采用两台400 t履带吊抬至热处理炉内，然后封闭炉子，连接热电偶，接线，打开油阀进行热处理；其五，热处理前应对每个燃烧器进行试燃，合格后按工艺要求进行升温、恒温、降温控制；其六，热处理过程中和完成后，应检查热处理曲线，炉盖打开后应对热处理设备进行检查，合格后用吊车抬出炉外。

3.2.4 热处理质量检查和评定

图12 分馏塔热电偶布置

热处理过程实行全过程检查制度，首先检测热处理温度控制有无异常变化，曲线波动是否合格，然后组织1～2人对热处理炉周围进行现场巡检，保证热处理全过程无异常，否则应及时报告热处理领导小组人员，再制订技术措施进行处理。现场组焊设备热处理后按要求对A、B、D焊缝进行硬度检测，每处按5点进行检测，即焊缝区、两侧热影响区、两侧母材区各测一点，硬度值应≤220 HBW[4]。

3.2.5 分馏塔炉内热处理主要质量控制点

其一，热处理应做好防风、防雨及防雷措施，避免在极端天气下进行；其二，设备接管法兰面用保温材料覆盖，防止产生氧化层影响密封面质量；其三，产品焊接试板应同炉热处理，单独设置热电偶测温；热处理火焰太长可能直接喷射在设备本体上，应做好遮挡措施。

3.2.6 分馏塔炉内热处理主要HSE控制点

其一，进行作业的人员必须各负其责，遵守各自工种的安全操作规范，做好各自岗位的安全工作，施工前、施工中，随时检查安全环境、设备安全完好情况，并相互检查、提醒；其二，热处理用的燃油储箱应无泄漏，输送管带及其接头应牢固密封无泄漏；其三，柴油为易燃物品，必须加强管理，设专人监护使用，严防设备管路渗油、漏油；其四，热处理时，设备区域场地不得有杂物、障碍物等不安全因素存在，热处理危险区域应有人员巡检，严禁无关人员进入危险区域。分馏塔炉内热处理后效果见图13。

4 结束语

图13 分馏塔炉内热处理后效果

该项目现场组焊的非标设备多，又因在海外进行施工作业，运输路线长，依托条件差，因此一切均需筹备完善，方能完成此任务。通过仔细研究，确定了以模块化炉内热处理为主，结合内部电加热的方法，完成所有设备的焊后热处理，最终顺利地完成了14台大型非标设备的热处理工作。该项目的成功实施，为今后同类大型工程设备的整体热处理施工，特别是需克服国外运输条件受限、人员签证受限、当地资源贫乏情况下的一次热处理施工，提供了宝贵经验和思路。