[发明专利]一种整体消除球罐焊接应力的方法

说明书

本发明属于金属压力容器制造领域中整体消除容器组焊中产生的焊接应力和容器在成型时产生的应力。尤其是金属压力容器中的球形容器的整体焊接应力的消除。

目前国内外普遍采用的球罐（包括其他结构形式的金属压力容器，下面统称“压力容器”）焊接应力的消除方法有五种：一种是炉内整体热处理法。即把压力容器放在热处理炉（室）内通过加热-保温-冷却过程而进行的消除应力的处理方法。这种方法其应力消除质量虽较为理想，但由于压力容器尺寸通常很大，建造很大的热处理炉（室）是很困难的，况且有许多压力容器一般是在现场组焊完成的，所以采用这种方法对于一般较大的压力容器的焊接应力的消除是不适用的。另外这种方法还存在着成本高、周期长、能源消耗大和金属表面氧化、合金烧损影响压力容器表面质量等问题。第二种方法是整体内加热法，即首先在压力容器外表面全部砌上保温层或加封耐高温的保温材料，然后在压力容器内加入燃料（例如石油液化气）进行燃烧加热，再通过保温、冷却尽而达到退火消除应力的目的。这种方法是目前国内外大型压力容器（特别是球罐）主要采用的一种消除焊接应力的方法。但是这种方法消除焊接应力的效果并不十分理想，一般只能消除70%左右。这是因为压力容器在加热冷却后会产生新的热应力。另外同上面介绍的第一种应力消除方法一样，此法同样存在着成本高（热处理费用通常为压力容器制造工程造价的15%左右）、周期长、压力容器内表面氧化和合金烧损等问题。特别是目前压力容器正逐渐地向大型化发展，这时应用此法消除压力容器的焊接应力将会越发困难。第三种方法是局部加热法。为了降低成本、缩短工期，人们又研究出局部加热法，即采用工频感应加热、或环形火焰加热，也有采用红外线热元件加热。即将宽于母材12倍以上的加热器，布满整个压力容器的焊缝处，进行加热退火处理，进而达到消除应力的目的。这种局部加热法虽比整体加热法经济、费用也少，但消除应力效果比整体加热方法要差。而且周期长，操作施工复杂，能源消耗大、金属表面氧化、合金烧损等问题仍没有得到解决。第四种方法是低温消除应力法。为了克服由于高温加热而造成的缺陷有人又推出了此法。这种方法纯属是利用机械力的作用，其原理与高温回火根本不同。这种方法是先将两个火焰喷炬连续地把焊缝两侧加热到180℃～230℃，形成两条加热带，使焊缝两侧的加热带与焊缝本身之间有一个温度差△t，然后在一定的距离上用喷水管喷出水冷却加热带，在压力容器上造成一个热应力场，这个应力场最终使焊缝受压应力，而母材加热带受拉应力，此应力场迭加在焊缝残余应力场上，能抵消部分焊接残余应力。此法虽蔽开了高温加热，但仍未能彻底脱开加热，而且在一个较大的压力容器上的所有焊缝通过火炬加热和水管喷水冷却得到一个准确合理的施加应力场绝非是一件容易办到的事。另外这种方法仍然存在着质量控制难、操作复杂、应力消除不彻底，成本和周期也未有明显的降低。根据焊接压力容器低应力脆性破坏事故分析，人们早已得出如下结论：“由于压力容器在焊接时采用的是局部加热，焊缝金属冷却收缩时会引起很大的内应力，随着压力容器的壁厚增加。焊接残余应力的分布也更为复杂。正是这种不利的应力形成了低温度下产生低应力脆性破坏的主要原因之一。第五种方法是;将一个振荡激发器固定到被处理的工件上，调整振荡激发器频率至该构件的共振频率，同时不断变换振荡激发器在该构件的固定点以达到消除构件上残余应力（苏联专利SU1052550-A）。这种方法虽然突破了加热的基本方法，但是仍存在许多问题，首先需要振荡激发器等专利设备，其次球罐焊缝通常少则几十米，多则几百上千米，一次一次地改变振荡器的固定位置进行分段消除应力，劳动量是十分大的。再则构件上残余应力分布和本身大小是十分复杂的，调整振荡激发器频率至该构件的共振频率并不是一件容易的事。由于残余应力和外力、缺陷的迭加或是由于残余应力产生而加剧金属疲劳、应力腐蚀等问题而造成破裂，在金属压力容器破坏事故中占了很大的比重。（见上海市第一机电工业局科技组情报站编辑的《球罐》一书;上海科学技术出版社出版，化工设备设计全书编辑委员会编辑的《球形容器设计》一书。