袁世东，刘扣森

(森松(江苏)重工有限公司，上海 201323)

0 引言

丙烷脱氢(PDH)制丙烯，与其他生产技术相比，获得同等规模的丙烯产量，丙烷脱氢技术的基建投资相对较低。

目前，丙烷脱氢工艺有：(1)UOP公司的Oleflex工艺；(2)ABB Lummus公司的Catofin工艺；(3)伍德(Krupp Uhdewcng)公司的STAR工艺；(4)Linde-BASF-Statoil共同开发的PDH工艺等。已实现工业化的主要是UOP的Oleflex工艺和ABB Lummus的Catofin工艺，UOP和Lummus两种工艺路线大体相同，所不同的只是脱氢和催化剂再生部分[1]。

常用的UOP的Oleflex工艺的丙烷脱氢装置中的核心反应器较之前的UOP的“四合一”连续重整反应器，不仅设计温度由550 ℃变为670 ℃，结构也变化较大[2]，其主要材料选用含碳量不低于0.04%的耐高温性能较好的奥氏体不锈钢SA240 304H。反应器制造的关键工艺是热处理，按照压力容器国内外标准，奥氏体不锈钢材料焊后无需进行热处理，但由于奥氏体不锈钢的热膨胀系数远大于铁素体不锈钢，其残余应力的幅值也远高于后者[3]，对于厚板焊接的残余应力在使用过程中的释放，以及可能发生的应力腐蚀裂纹，均需要额外考虑。本设备使用温度高，且介质含氢气，可能存在的微观热裂纹、较高的焊接残余应力值对设备正常的使用寿命会有很大影响。因此，如何消除焊接残余应力和改善焊缝组织均匀性对设备的寿命至关重要，且由于相关的标准和制造经验都很少，如何在工程中合理地制定焊后热处理工艺以及如何保证焊后热处理工艺的实施，对设备的制造质量很关键。

本文通过对热处理工艺进行阐述，分析和总结304H材料在焊后热处理方面的制造难点，为今后制造类似产品提供一定的经验。

1 设备结构概况及特点

该反应器的主要设计参数见表1，结构形式见图1。

表1 主要设计参数

该设备设计制造规范按ASME Ⅷ-1，主体材料均选用ASME SA240 304H奥氏体不锈钢，总高度约34.7 m，筒体最大直径∅4700 mm，筒体最大厚度66 mm，主要由封头、筒体、锥体、接管法兰、人孔、设备法兰、裙座、内件等组成。

图1 设备结构简图

2 材料性能

304H奥氏体不锈钢具有良好的耐高温性能和焊接性。由于碳含量控制在0.04%～0.10%，较高含量的碳提供了较好的抗拉强度和在高温下较好的蠕变强度[4-6]。其化学成分和力学性能分别如表2，3所示。

表2 SA240 304H不锈钢的主要化学成分 %

表3 SA240 304H不锈钢的主要力学性能

3 反应器的焊后热处理要求

SA240 304H属于奥氏体不锈钢，按照ASME Ⅷ-1 UHA篇制造要求，不强制进行焊后热处理，没有相应的技术要求可参照[7]。奥氏体不锈钢消除残余应力的热处理一般在550～650 ℃温度范围内进行，在某些场合，为了更有效地消除残余应力，则要进行较高温度的焊后热处理[3]。考虑到设备长期在高温工况下运行，304H奥氏体不锈钢又有一定的热裂纹倾向，为最大程度减少焊后残余应力的存在，该反应器最终确定的热处理参数见表4。

奥氏体不锈钢304H在890 ℃的屈服强度很低[8]，仅26.9MPa。304H在不同温度下的屈服强度如表5所示，热处理过程中温差应力一旦超过屈服强度,会对材料形成破坏。ASME Ⅷ-2中要求：临界载荷时，目标应力小于材料的屈服强度；加热阶段的热应力应小于2倍的屈服强度(σT≤2σy)；冷却阶段热应力小于材料的屈服强度(σT≤σy)[9]。

表4 热处理参数

表5 304H在不同温度下的屈服强度

3.1 设备热处理放置方式分析

为避免热处理对材料造成永久性的破坏，通过有限元分析软件ABAQUS对反应器的焊后热处理进行热应力瞬态分析，计算工件的变形情况，同时确认最大的升降温速度以减少加热、保温、降温阶段产品的局部应力和永久变形。有限元分析软件ABAQUS广泛应用于核电、航空、汽车以及石油化工等领域，可以解决很多工程问题，如静态分析、模态/频率分析、非线性瞬态动力学分析、谐波响应分析、传热分析、流体分析等[10]。

根据热应力瞬态分析，认为高温下卧式热处理，对工装的要求非常高，只有立式进行热处理才能有效控制设备的变形，见图2，3。确认了升降温速度在不同温度阶段有不同的要求，结构显著变化的区域对升降温的要求也不同，通过采取在升温阶段320，500 ℃分别设置保温平台来减少温差才能按照要求完成热处理。

图2 基于自重的应力分布(890 ℃)

图3 指定位置的应力曲线

3.2 厚度不均匀部位的处理

该热处理不仅温度高，同时反应器直径大，部分筒体厚薄不均，在热处理过程中的变形也是需要考虑的情况。对厚薄差异较大的地方，由于温度梯度变化明显，需要增加局部保温来减缓温度梯度；且保温棉的厚度要有控制，否则会造成新的温差梯度；通过有限元分析模拟结果可以精确地得出保温棉需要增加的位置。图4示出对其中的一段进行不同时刻的温度分布的热应力模拟结果。图5示出不同位置(筒体上部、保温区、法兰)的温度变化。

3.3 热处理变形处理

对同一部件进行有限元模拟发现，高温热膨胀会导致在焊后热处理时工件变形程度不同，见图6，7。根据ASME BPV Ⅱ卷D篇提供的不同温度范围内奥氏体不锈钢的热膨胀系数，从20～825 ℃的温度范围内，平均热膨胀系数为19.4×10-6mm/mm/℃，据此计算，在焊后热处理时，分段直径方向上的伸长量最大为79 mm，高度伸长量为145 mm；需要增加滑动装置来保证在加热和冷却时可以进行伸长和收缩，以减少变形。

图5 不同位置(筒体上部、保温区、法兰)的温度变化

图6 热处理时的变形情况

图7 指定位置的轴向变形情况

4 炉内热处理和局部热处理

大型设备的制造通常考虑整体炉内热处理，主要是考虑到热处理炉操作简单，温度控制容易且精度高，热处理效果可靠。本项目因材料高温屈服强度较低，炉内热处理时，为避免温差应力对材料的损伤，要求在500 ℃以上，任意两个测温点的温差小于50 ℃，要求在设备内外表面均布测温点，其数量多，测温点数量单台总计300个，即使分段做，考虑到并炉热处理，单炉热处理的测温点的数量最多256个，如何确保256个测温点在炉内的温差均匀成为一个难题。图8为工件并炉热处理的照片。

图8 炉内热处理照片

最终整台反应器共分6段进行分段立式炉内热处理，不同的分段要进行同炉热处理。热处理使用台车式天然气炉，热处理炉炉膛尺寸(长×宽×高)为：28 000 mm×9 000 mm×9 800 mm；热处理炉采用天然气燃烧加热系统，共有24个燃烧喷嘴，燃烧加热系统有高速烧嘴、智能型燃烧控制器、天然气切断阀、调节阀、点火器及火焰监测器等组成。高速烧嘴有足够的速度使炉内温度均匀搅拌，实现炉内温度均匀。智能型燃烧控制器可以实现自动点火、大小火切换、熄火报警、熄火保护等全过程的自动和手动控制。

采用新研发的多点温度采集控制系统顺利实现了工艺要求。该系统通过对各温度点的实时温度采集，将数据直接传送到控制单元，配备工业数据采集模块，通过RS485远程通讯，实现温度层和控制层的信息传送和温度采样点的数据的定时采集；通过组态软件，实时显示各采样点的温度和同步高低温度监控报警。图9为256点温度集中采集系统。

图9 多点温度集中采集系统

测温用热电偶采用K型高温热电偶，热电偶采用电容补偿焊的方式附在部件上，而且进行保温保护;为防止加热过程中热电偶发生问题，提前在每件热电偶附近15 mm范围内准备1件备用的热电偶，一旦有问题即可采用备件进行记录。图10为其中热电偶数量最多的一段工件的热电偶分布图。

图10 其中一段工件的热电偶分布

整台反应器由于分段进行炉内热处理，故必须解决合拢环缝的局部热处理问题。虽然容器合拢缝采用局部热处理是经常应用的，但通常均为普通碳钢低合金钢的600～700 ℃的低温热处理，其对热处理的要求相对简单，而对不锈钢的高温热处理则鲜有进行现场局部热处理的情况，也没有相关的资料文献。为此查阅国内外相关标准和参照普通碳钢的局部热处理经验，合理制定不锈钢的局部热处理工艺也是关键。最终本项目确定采用在环缝内外安置可折叠的电阻式陶瓷加热片，电加热片外侧包裹保温材料的方式进行。加热片型号选择 LCD-220V-14KW，LCD-220V-7KW两种，最高加热温度1 500 ℃。几个电加热片可以在一个温度控制区统一控制。加热片外侧用绝热保温材料为硅酸铝纤维保温棉；保温棉外用铁丝捆扎，内用工装环支撑固定。温度主要靠传导进行，其温度均匀性不如炉内进行，尤其是高温情况下，其温度的均匀性和精度受现场环境的影响较大[11]。对其加热区域和保温区域严格按照WRC-452[12]执行，将热处理区域分为均温带(Soak Band，SB)、加热带(Heating Band，HB)、梯度控制带(Gradient Control Band，GCB)， 图11为SB，HB，GCB区域分布图。通过计算，确定各区域分布的宽度。加热带(HB)被多个可折叠的电阻式陶瓷加热片覆盖，所有的加热片被附在筒体上，图12为现场局部热处理施工照片。测温用热电偶分布如图13所示。

图11 SB，HB，GCB区域分布

图12 局部热处理现场照片

图13 局部热处理热电偶分布

测温用热电偶同样采用K型高温热电偶，与在炉内热处理一样采用电容补偿焊的方式附在部件上，而且进行保温保护以及一件一备的方式防止热电偶的失效。

为确保组件加热均匀，8件控温热电偶应被附在焊缝上。总计热处理区域的内表面有12件监控热电偶在加热带(HB)区内，外表面有12件监控热电偶在加热带(HB)和梯度控制带(GCB)区内，任一热电偶不能位于加热片下，必须用钢带固定在焊缝上。

和整体热处理相比，局部热处理的温度控制难度更大，若控制不当，不仅消除应力不彻底，也会造成局部变形，尤其是伸缩量的精确计算对滑动装置的设置，最终的产品变形程度有很大的影响。同时,热处理前要做好各项准备工作，对加热区热电偶严格控制，做好备件热电偶，以避免由于热电偶损坏造成局部加热不均匀，以及外侧边缘产生有害的温度梯度。

5 结语

从最终的设备情况看，通过热应力瞬态分析，较好地解决了热处理变形的问题，同时前期周密的工艺安排，以及过程中的严格控制，最终圆满地完成了SA240 304H的焊后热处理，并得出以下结论。

(1)热应力瞬态分析在热处理的实际应用中是有效的，尤其是高温热处理的应用中，由于材料在高温下强度很低，拘束应力和温差应力的叠加会对材料造成破坏性的影响。

(2)采用局部热处理进行现场高温热处理的方式是可行的，在合理优化工艺的情况下，热处理质量是可控的。

(3)奥氏体不锈钢SA240 304H进行高温焊后热处理是可以实现的，可以有效避免焊接残余应力对材料的破坏，尤其是微裂纹不可避免的存在，焊接残余应力在后续的设备运行中会逐步放大裂纹，影响使用寿命；焊后热处理可以消除一部分的焊接残余应力，适当延长设备的寿命。