CN112052612A - 大型承压设备筋板加固刚柔协同局部热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型承压设备筋板加固刚柔协同局部热处理方法，属于热处理残余应力调控技术领域。包括如下步骤：首先是筋板设计数学模型，分别确定筋板的数量、尺寸，通过热处理变形测量结果和有限元模拟数据，建立了筋板间距、尺寸、筒体半径、筒体壁厚与径向变形之间的数学关系；然后将径向变形最大的数据作为筋板防开裂设计准则的依据，并对其进行校核；再者是筋板的焊接工艺。最后，根据上述方法，给出了防止在役过程中发生应力腐蚀开裂的设计依据。如果不满足设计要求，进行具体尺寸优化，直到满足工程需要。本发明方法可确认筋板尺寸，大大简化有限元复杂的计算，避免筋板在热处理过程中发生开裂及在役过程中的应力腐蚀开裂问题。

Description

大型承压设备筋板加固刚柔协同局部热处理方法

技术领域

本发明属于热处理残余应力调控技术领域，具体涉及一种大型承压设备筋板加固刚柔协同局部热处理方法。

背景技术

超大压力容器由于体积超大、受热处理炉的限制而无法采用整体热处理，只能采用局部热处理的方法。然而，国内外标准中对于局部热处理过程中产生的有害变形尚未考虑，标准的方法由于此局限性而不再适用。对于大型插入板局部热处理，由于存在较大的变形不协调而导致的开裂问题。申请号为201910095841.8公开的分段对称加热-筋板加固的刚柔协同局部热处理方法很好的解决了此难题。该方法包括：首先根据不同插入件类型选择合适的分段对称热处理方案；加强结构沿焊缝切线方向垂直焊缝进行布置，并确定具体加强结构的材料、数量及尺寸；在上述步骤的基础上，通过有限元建模分析，在应力和变形水平达到工程要求后对加强结构的关键位置进行校核，并确定实际加强结构焊接方式。该方法通过有限元建模优化，验证了采用分段对称热处理的基础上，实施强化结构对超大型承压设备局部焊后热处理焊接应力与变形得到有效调控，并提出了强化结构数量及尺寸选择的依据对于插入板进行了分类，介绍了有限元对筋板尺寸进行优化及校核的建模计算方法。但是，未对筋板设计模型及筋板防开裂准则进行研究。

本发明旨在建立筋板间距、尺寸、筒体半径、筒体壁厚与变形之间的数学关系，即筋板设计数学模型，并提出筋板防开裂及防止在役过程中发生应力腐蚀开裂的设计准则。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型承压设备筋板加固刚柔协同局部热处理方法，其旨在建立筋板间距、尺寸、筒体半径、筒体壁厚与变形之间的数学关系，即筋板设计数学模型，并提出筋板防开裂及防止在役过程中发生应力腐蚀开裂的设计准则，大大简化有限元复杂的计算。

其技术解决方案包括:

一种大型承压设备筋板加固刚柔协同局部热处理方法，依次包括以下步骤：

S1、筋板设计数学模型，包括以下子步骤：

步骤1、测量或者计算热处理焊缝的长度，筋板沿着插入板与筒体对接主焊缝垂直均布，通过筋板间距来确定筋板的数量；

步骤2、假设筋板的长度为L，筋板的高度为H，筋板的厚度为W，插入板的厚度为t₂，筒体厚度为t₁，筋板的高度H＝2t₂+t₁，筋板的长度L为插入板整体最小尺寸的四分之一，筋板的厚度W与筒体的厚度t₁相同；

步骤3、通过热处理变形测量结果和有限元模拟数据，建立了筋板间距、尺寸、筒体半径、筒体壁厚与径向变形之间的数学关系，如式(1)所示：

S2、筋板防开裂准则

将径向变形最大的数据作为筋板防开裂设计准则的依据，具体包括以下子步骤：

步骤4、由几何方程导出其周向应变和径向应变表达式，如式(2)所示：

将式(1)代入式(2)，可得式(3)：

步骤5、广义胡克定理可以表示：

将式(3)代入式(4)，即可得到径向应力及环向应力，如式(5)所示：

步骤6、筋板防开裂准则如式(6)：

如果校核不合格，进行具体尺寸优化，直到满足工程要求；

S3、筋板的焊接工艺

筋板在热处理前根据步骤S1的筋板间距及布置方式进行焊接，具体的焊接工艺为：筋板两端30％～40％的长度采用连续焊接，焊脚高度为30～34mm，筋板的两端采用包角焊接。

作为本发明的一个优选方案，步骤1中热处理所用的加热片为矩形加热片或梯形加热片，其中，矩形加热片的规格为600mm×400mm，功率为l0KW；

S4、防应力腐蚀开裂准则

采用了上述筋板尺寸设计、热处理过程中筋板防开裂校核准则及相关筋板的焊接工艺，工程实例证明，刚柔协同局部热处理方法能有效实现大型承压设备局部焊后热处理焊接残余应力与变形调控，由于筋板的刚柔协同作用，热处理后的残余变形较小，远远高于设计文件的变形尺寸要求；除此之外，为了降低大型承压设备在服役中产生应力腐蚀开裂的敏感性，通过相关的应力腐蚀实验获得该材料不发生断裂的最高应力值即应力腐蚀门槛值σ_th，当大型承压设备在服役过程中，该局部热处理区域的应力值低于该门槛值时，就能确保其安全服役，在S2筋板防开裂准则的基础上，考虑到大型压力容器在服役过程中应力腐蚀问题，通过该门槛值对筋板设计进行进一步的优化；即：

max{σ_r,σ_θ}≤σ_th (14)

筋板设计满足上述关系的条件下，在一定程度上避免了大型承压设备在服役过程中应力腐蚀的问题。

作为本发明的一个优选方案，步骤1中热处理所用的加热片为矩形加热片或梯形加热片，其中，矩形加热片的规格为600mm×400mm，功率为l0KW。

作为本发明的另一个优选方案，步骤2中通过有限元建模优化的方法确定筋板的最佳长度。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

(1)本发明提出了筋板数量及尺寸确定方法，通过此数学模型即可确认筋板尺寸，大大简化有限元复杂的计算，确保超大型承压设备局部焊后热处理焊接应力与变形效果的同时，提高了设计效率。

(2)本发明通过热处理变形测量结果和有限元模拟数据，建立了筋板间距、尺寸、筒体半径、筒体壁厚与径向变形之间的数学关系，通过此数学关系即可明确热处理过程中产生的最大径向变形，对筋板防开裂准则的奠定了基础。

(3)本发明基于热处理过程中产生最大的径向变形公式，建立了筋板防开裂准则，有利于从理论上快速对筋板防开裂进行校核，确保了筋板在热处理过程中发生开裂而失去了保护主焊缝的作用。

(4)本发明能够降低了在役过程中的应力腐蚀开裂敏感性。

具体实施方式

本发明提出了一种大型承压设备筋板加固刚柔协同局部热处理方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明，一种大型承压设备筋板加固刚柔协同局部热处理方法，包括以下步骤：

S1、筋板设计数学模型，包括以下子步骤：

步骤1、测量或者计算热处理焊缝的长度，筋板沿着插入板与筒体对接主焊缝垂直均布，目前，由于履带式陶瓷加热片价格便宜、现场实施方便，是比较常用的加热方式。感应加热由于其使用寿命长、控温精准、清洁环保符合现行环保观念而具有广泛的应用前景。借鉴于加热片的规格进行筋板间距的确定。为了实现加热的均匀性及考虑热处理存在弧形焊缝，加热片选用矩形加热片和梯形加热片。其中，矩形加热片的规格为600mm×400mm，功率为l0KW。对于弧形焊缝，采用梯形加热片或梯形加热片和矩形加热片相结合的方法。可根据实际情况，针对不同规格的贯穿件可相应调整加热片的规格，但要保证加热宽度满足ASME&PV规范第Ⅲ卷的要求。筋板间距以矩形加热片为准，间距D采用电加热片宽度w的2倍。采用感应加热时，间距为电加热片所确定的间距。根据间距由此确定了筋板的数量；

步骤2、假设筋板的长度为L，筋板的高度为H，筋板的厚度为W，考虑到筋板材料及强度匹配性，筋板的材料选择热处理对象的材料一致；为了就地取材，筋板厚度和筒体壁厚一致；插入板与筒体的焊接一般为不等厚焊接，插入板为厚板，筒体为薄板。筋板的高度H为插入板厚度t₂的两倍加筒体厚度t₁即H＝2t₂+t₁；由于插入板的类型不同，筋板的长度L首先确定为插入板整体最小尺寸的四分之一，通过有限元建模优化的方法确定最佳长度。至此，获得了筋板的详细尺寸；

步骤3、通过热处理变形测量结果和有限元模拟数据，建立了筋板间距、尺寸、筒体半径、筒体壁厚与径向变形之间的数学关系，如式(1)所示：

S2、筋板防开裂准则

热处理保温过程中温度是最高的，此时材料在高温下强度也是最差的。此外，产生的径向变形最大。热处理此阶段是筒体主焊缝以及筋板角焊缝发生开裂的危险阶段，因此，将径向变形最大的数据进行筋板防开设计裂准则是合理可行的。

步骤4、由几何方程导出其周向应变和径向应变表达式，如式(2)所示：

将式(1)代入式(2)，可得式(3)：

步骤5、广义胡克定理可以表示：

将式(3)代入式(4)，即可得到径向应力及环向应力，如式(5)所示：

步骤6、由于筋板在热处理过程，最主要的失效模式是筋板两端部与筒体发生撕裂，故筋板法防开裂准则如式(6)：

如果校核不合格，进行具体尺寸优化，直到满足工程要求；

S3、筋板的焊接工艺

不管采用牛眼式局部热处理，还是采用分段热处理，筋板在热处理前根据步骤1的间距及布置方式进行焊接。分段对称加热-筋板加固的刚柔协同局部热处理方法的实际应用中，筋板的焊接采用角焊缝，此角焊缝不需要筋板加工坡口。原因如下：筋板只是在热处理过程中起作用，热处理结束后是要拆除的；筋板的焊接实现其作用即可；仅仅采用堆焊的方法即可实现焊接残余应力与变形的调控，采取一定措施可以避免筋板撕裂；堆焊过程中不会产生较大的熔深，而采用加工坡口的角焊缝，增大了筒体母材的熔深，不利于保护母材。除此之外，所采用的焊缝金属较多，增大了筋板切除的工作量。筋板的焊接工艺可以采用如下工艺：筋板两端30％～40％的长度采用连续焊接，焊脚高度建议为30～34mm，筋板的两端采用包角焊接。

S4、防应力腐蚀开裂准则

采用了上述筋板尺寸设计、热处理过程中筋板防开裂校核准则及相关筋板的焊接工艺，工程实例证明，刚柔协同局部热处理方法能有效实现大型承压设备局部焊后热处理焊接残余应力与变形调控。由于筋板的刚柔协同作用，热处理后的残余变形较小，远远高于设计文件的变形尺寸要求。除此之外，为了降低大型承压设备在服役中产生应力腐蚀开裂的敏感性。通过相关的应力腐蚀实验获得该材料不发生断裂的最高应力值即应力腐蚀门槛值σ_th。当大型承压设备在服役过程中，该局部热处理区域的应力值低于该门槛值时，就能确保其安全服役。在S2筋板防开裂准则的基础上，考虑到大型承压设备在服役过程中应力腐蚀问题，通过该门槛值对筋板设计进行进一步的优化。即：

max{σ_r,σ_θ}≤σ_th (21)

筋板设计满足上述关系的条件下，在一定程度上避免了大型承压设备在服役过程中应力腐蚀的问题。

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

实施例1：

某超大压力容器，筒体材料为SA738Gr.B，其厚度t₁为52mm，半径R₁为21500mm。插入板半径R₂约8000mm，厚度t₂为130mm。根据本发明所提出筋板尺寸确定数学模型，筋板的材料选用和筒体一样的材料为SA738Gr.B，筋板的尺寸确定为长度L为2000mm、厚度t₁为52mm、高度H为312mm、间距D为800mm。由于插入板上的接管与筋板产生干涉，故减少筋板长度。通过有限元进一步优化后，筋板的尺寸确定为长度L为1200mm、厚度t₁为50mm、高度H为310mm、间距D为800mm。现场采用全站仪对热处理过程中产生的径向变形进行关键时间节点关键位置的变形测量，发现插入板底部在热处理过程中产生的径向变形最大，此结果和有限元模拟结果一致。表1给出了所本发明建立的筋板间距、尺寸、筒体半径、筒体壁厚与径向变形之间的数学关系所得最大变形值与实验值。

表1

校核合格

可以看出本发明公式的预测值与测量值误差较小，为7.18％。对该筋板进行筋板防开裂设计准则校核，校核合格。现场采用本发明所提的筋板加固方法以及筋板的焊接工艺，筋板在整个热处理过程中完好未发生开裂，有效的保护了主焊缝，达到了局部热处理消除焊接残余应力的目的。

实施例2：

某超大压力容器，筒体材料为SA738Gr.B，其厚度t₁为52mm，半径R₁为21500mm；插入板半径R₂约4200mm，厚度t₂为130mm。根据本发明所提出筋板尺寸确定数学模型，筋板的材料选用和筒体一样的材料为SA738Gr.B，筋板的尺寸确定为长度L取整为1000mm、厚度t₁为50mm、高度H为310mm、间距D为800mm。现场采用全站仪对热处理过程中产生的径向变形进行关键时间节点关键位置的变形测量，发现插入板底部在热处理过程中产生的径向变形最大，此结果和有限元模拟结果一致。表2给出了所本发明建立的筋板间距、尺寸、筒体半径、筒体壁厚与径向变形之间的数学关系所得最大变形值与实验值。

表2

校核合格

可以看出本发明公式的预测值与测量值误差较小，为11.5％。此误差在工程上是可以接受的。该材料在热处理保温温度600℃下，弹性模量为170MPa，泊松比为0.249，该温度下的许用应力为192.07MPa(安全系数n＝1.5)。对该筋板进行筋板防开裂设计准则校核，校核合格。现场采用本发明所提的筋板加固方法以及筋板的焊接工艺，筋板在整个热处理过程中完好未发生开裂，有效的保护了主焊缝，达到了局部热处理消除焊接残余应力的目的。

本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

需要说明的是：在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种大型承压设备筋板加固刚柔协同局部热处理方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

S1、筋板设计数学模型，包括以下子步骤：

步骤1、测量或者计算热处理焊缝的长度，筋板沿着插入板与筒体对接主焊缝垂直均布，通过筋板间距来确定筋板的数量；

步骤2、假设筋板的长度为L，筋板的高度为H，筋板的厚度为W，插入板的厚度为t₂，筒体厚度为t₁，筋板的高度H＝2t₂+t₁，筋板的长度L为插入板整体最小尺寸的四分之一，筋板的厚度W与筒体的厚度t₁相同；

步骤3、通过热处理变形测量结果和有限元模拟数据，建立了筋板间距、尺寸、筒体半径、筒体壁厚与径向变形之间的数学关系，如式(1)所示：

S2、筋板防开裂准则

将径向变形最大的数据作为筋板防开裂设计准则的依据，具体包括以下子步骤：

步骤4、由几何方程导出其周向应变和径向应变表达式，如式(2)所示：

将式(1)代入式(2)，可得式(3)：

步骤5、广义胡克定理可以表示：

将式(3)代入式(4)，即可得到径向应力及环向应力，如式(5)所示：

步骤6、筋板法防开裂准则如式(6)：

如果校核不合格，进行具体尺寸优化，直到满足工程要求；

S3、筋板的焊接工艺

筋板在热处理前根据步骤S1的筋板间距及布置方式进行焊接，具体的焊接工艺为：筋板两端30％～40％的长度采用连续焊接，焊脚高度为30～34mm，筋板的两端采用包角焊接；

S4、防应力腐蚀开裂准则

采用了上述筋板尺寸设计、热处理过程中筋板防开裂校核准则及相关筋板的焊接工艺，工程实例证明，刚柔协同局部热处理方法能有效实现承压设备局部焊后热处理焊接残余应力与变形调控；由于筋板的刚柔协同作用，热处理后的残余变形较小，远远高于设计文件的变形尺寸要求；除此之外，为了降低承压设备在服役中产生应力腐蚀开裂的敏感性，通过相关的应力腐蚀实验获得该材料不发生断裂的最高应力值即应力腐蚀门槛值σ_th；当承压设备在服役过程中，该局部热处理区域的应力值低于该门槛值时，就能确保其安全服役，在步骤S2筋板防开裂准则的基础上，通过该门槛值对筋板设计进行进一步的优化，即：

max{σ_r,σ_θ}≤σ_th (7)

筋板设计满足上述关系的条件下，在一定程度上避免了承压设备在服役过程中应力腐蚀的问题。

2.根据权利要求1所述的一种大型承压设备筋板加固刚柔协同局部热处理方法，其特征在于：步骤1中热处理所用的加热片为矩形加热片或梯形加热片，其中，矩形加热片的规格为600mm×400mm，功率为l0KW。

3.根据权利要求1所述的一种大型承压设备筋板加固刚柔协同局部热处理方法，其特征在于：步骤2中通过有限元建模优化的方法确定筋板的最佳长度。