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厚壁容器焊接接头单面包带焊后热处理非稳态导热研究

更新时间:2018-9-12

1、立项背景

在高参数复杂工况的使用要求下,厚壁压力容器作为一种典型容器,被广泛使用在现代工业中。为满足其较高的使用条件要求,如承受压力过大、温度过高(如电厂使用的多种换热器),对容器材料本身及壁厚要求也比较苛刻,厚壁压力容器的密封也提出了很高的要求。对现有制造加工工艺而言,厚壁容器的密封、连接普遍采用焊接技术。焊接接头作为厚壁压力容器中最重要的质量控制部分,其质量直接影响了整个压力容器的安全性。目前有很多方法来提高焊接接头质量,例如振动时效、焊后热处理等。考虑到加工方法的易操作性和便捷性,目前制造厂普遍采用焊后热处理来消除焊接过程中由于温度不均、结构等原因产生的热应力,组织不均匀等现象。同时GB150.4-2011《压力容器》中也明确规定,对于碳素钢、Q345R等材料在壁厚达到32mm以上要求必须进行焊后热处理。

在实际生产过程中,对大型厚壁压力容器的焊接接头焊后热处理,常采用双面电加热包带方法。而对于压力容器本身尺寸过小或者设备内部结构特殊的情况,如高温高压厚壁条件下的管壳式换热器封口焊缝等,在压力容器外表面单面布置陶瓷加热器包带和温度测点而无法在设备内表面焊接接头处布置,只能对焊接接头区域单面进行焊后热处理操作。由于局部热处理工艺处于大气环境下,单面加热器包带热处理加热会造成压力设备金属壁内外温度不相等,金属焊缝沿壁厚方向形成温度梯度场,造成焊缝内外表面温差较大的情况。而这一情况在厚壁焊缝热处理情况下更加严重,焊缝内外表面温差可以达到80℃以上。这则会造成压力容器热处理过程中的热不透或者过热现象,显著降低焊接接头区域的热处理效果,甚至严重的会造成传热恶化,无法达到焊后热处理的预期效果。并且由于容器内壁无法布置温度测点,无法得到容器热处理过程中内外壁面的温差,从而无法衡量最后的焊后热处理效果。本项目主要针对这一情况,研究单面包带热处理工艺下的厚壁金属焊接接头区域的非稳态导热特性,具有很强的针对性和实用性,从而为压力设备热处理过程提供一定的技术指导。 

2、研究内容

(1)通过分析焊后热处理工艺的特点与具体方法,明确影响热处理工艺中壁厚方向温度梯度的因素,建立单面包带热处理工艺的非稳态导热数学模型;

(2)研究单面包带外表面热处理时不同外界环境、容器局部结构、保温材料结构等对金属厚壁内外表面温度差的影响;

(3)通过归纳不同厚度的厚壁容器厚度方向温度梯度与外壁面轴向、周向温度梯度的对应关系,得到根据测量厚壁容器外壁面轴向和周向温度分布估算其内表面温度的计算方法;

(4)结合加电加热器热功率、加热时间等因素推导出满足热处理工艺要求及最优能耗情况下的单面包带热处理工艺方法。

 

3、创新点

建立厚壁金属外壁面轴向、周向温度分布与壁厚方向温度分布的对应关系式,从而通过测量外壁面轴向、周向温度来估算内壁面温度,从而解决压力容器内部不能布置测温点的问题;根据厚壁容器自身结构特点与焊接接头特点计算满足焊后热处理要求的最佳加热方法。

 

4、社会效益

通过对单面包带热处理工艺下厚壁金属焊接接头区域传热特性的研究,为单面包带焊后热处理工艺下的力学研究与物理化学研究奠定基础、积累技术资料数据,从而对压力容器生产过程中的局部焊后热处理工艺提供理论指导和技术支持。

 


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