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中国石油大学:主副加热局部热处理技术让超大

日期:2021-09-03 02:07

  温差小于20℃,残余应力和变形实现降低70%!容器内外壁没有产生裂纹!这是中国石油大学(华东)蒋文春教授团队自主研发的主副加热分布式热源局部热处理技术带来的变化。

  “此项技术一经应用产业化,就成为破解宁波天翼石化重型设备制造有限公司的世界最大常压塔因采用欧盟设计标准现场无法施工难题的利器。”蒋文春告诉科技日报记者,分布式热源局部热处理技术改变了传统局部热处理方式,有效缓解了当前承压设备热处理后开裂的困境。

  蒋文春介绍,这项技术的不单是解决了一个制造厂的燃眉之急,对于整个承压设备领域而言都是一次巨大的突破。放眼我国乃至全世界,千万吨炼油、百万吨乙烯、百万千瓦核电站石化及核电行业都正以不可阻挡的趋势向大型化迈进:直径达43m的世界最大压力容器核电钢制安全壳,长度121m、直径12m的世界最大常压塔、壁厚352mm的世界最大加氢反应器等一系列“大国重器”应运而生。

  记者了解到,超大承压设备的极端尺寸必然也带来极大的制造难题:受热处理炉和现场条件的限制,无法整体热处理,只能采用分段制造、分段热处理和总装焊缝局部热处理的方式。但采用局部焊后热处理难以保证温度均匀性,仍会产生“收腰”变形,内壁焊接接头残余应力无法消除,导致应力腐蚀开裂、再热裂纹等安全隐患依然屡见不鲜,甚至产生火灾、爆炸等灾难性事故。

  如何突破超大承压装备局部焊后热处理的技术壁垒?作为能源装备制造专家,蒋文春率先“吃螃蟹”,发力科研攻关,针对超大壁厚承压设备局部热处理温差无法控制的难题,蒋文春教授发明了中频感应加热热处理设备,提出了步进式温度调控方法,实现热处理壁厚突破352mm,热处理总时间缩短43%,温差低于14 ℃,远小于国家标准40℃的要求;进而提出了“筋板加固刚-柔协同控制方法”及防开裂设计准则,已成功用于国和一号CAP1400核电站钢制安全局部热处理。

  最终,在上述技术的基础上,蒋文春建立了主副加热分布式热源局部热处理技术,巧妙地利用热处理过程中的反变形原理,通过主加热过程实现焊接接头组织改善、提高材料性能,通过施加副加热带调控内壁应力,从而首次实现了焊接接头组织、性能以及内表面残余应力的多尺度同步调控对焊接接头内壁残余应力的调控,是热处理调控领域的重大突破。

  令人自豪的是,蒋文春团队关于主副加热局部热处理技术的研发成功,让超大型承压设备制造安全有了新保障。

  蒋文春表示,他和他的团队首先实现了理论上的突破,提出了多场耦合集成计算技术,实现了超大承压设备残余应力的精准高效计算,并建立了变波长中子衍射残余应力测试技术,突破了中子测试厚度的局限,从而为超大承压设备局部热处理技术的改进奠定了坚实的理论基础。结合创新性的计算理论及测试方法,蒋文春教授发现传统热处理后焊缝内壁应力无法有效消除,同时在距离焊缝不远处出现与焊缝附近相反的应力分布规律。

  经过长期深入的探索,他和团队发现这正是由热处理过程宏观变形而产生的收腰变形现象而产生,他们将该现象映射到残余应力调控方面,持续数月进行了多个实际工程部件的测试及数千个模型的数值模拟,得到了副加热施加区域最佳位置与设备尺寸的具体关系,从而为超大承压设备创新性地提出了主副加热分布式热源局部热处理技术。

  “披星戴月的工作状态早已成为了家常便饭。”蒋文春告诉记者,实验成功后,他和团队力求将该技术推广应用至石化制造热处理环节,然而一项新的技术的推广面临重多难题,其中最为关键的就是企业对安全性和坚守传统标准的固定思想。恰逢某石化企业检修期间,本同意该技术实施应用的企业,还是因为担心安全问题放缓了进程。为此,他和团队成员常驻该企业,几乎每日都去和企业洽谈、汇报,在长达一个多月的坚持下,终于同意将该技术在现场应用。而在炎热的夏季,温度高达近40度,他和团队成员在容器内部工作,汗水多次把衣服浸透,甚至多次经历中暑的问题。但闷热、尘土飞扬的工作环境并没有难倒他们的团队,最终心里只有一个目标,要将该技术推广至整个石化行业。正是有了这样的信念,让他们突破万难,最终在长达3天的筒体内部工作后,将此技术落地。

  “主副加热分布式热源局部热处理技术是超大承压装备局部热处理开创性、革命性的技术”,中国石化工程建设有限公司王金光也表示:“该技术是一次重大的技术突破,已被工业界誉为蒋氏热处理技术”。宁波天翼石化重型设备制造有限公司极大的肯定了这项技术创新成果。

  为使这项新技术成果尽快产业化,蒋文春和团队成员们深入了全国数百家承压设备制造单位,从宣讲到实施技术,再到后期爬上高耸的塔上、进入闷热的筒体内验证技术,征途上洒满了一滴滴辛酸的、忐忑的、苦累的汗水,但从没有人想过放弃。甚至在2020年年初的疫情期间,他们依旧选择逆流而上,为制造单位指导主副加热热处理技术、排忧解难。

  技术成功落地应用后,在业内得到了强烈的反响,获得了承压设备设计制造行业的认可和推广。目前,该项技术已经成功应用于中国二重、兰石重装等120家企业700余台套设备,有效提升了我国自主制造的承压设备质量,助力数个大国重器的制造,提高了我国承压设备生产在国际上的威信力。

  此项技术在全球最大常压塔、在“一带一路”沿线国家尼日利亚全球最大单系列炼厂3250万吨/年的尼日利亚丹格特(Dangote)炼油厂中应用。蒋文春高兴地说,目前在日本、德国、俄罗斯等12个国家得到了推广应用。

  如今,蒋文春团队与中国石化工程建设有限公司等20余家单位一同制定申请了《承压设备局部焊后热处理规程》。中国特检院、全国锅炉压力容器标准化技术委员会组织的审定专家组对该标准评价为“国际上首次对承压设备局部焊后热处理进行系统性的规定”。

  技术创新无止境,科研没有休止符。蒋文春团队正在向着不断完善主副加热热处理技术继续奋进,为我国超大型承压设备制造安全持续保驾护航。

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