U型換熱管彎管段熱處理工藝研究范文

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摘要：

對(duì)U型換熱管冷彎后熱處理工藝進(jìn)行了介紹，分析了熱處理后表面出現(xiàn)少量氧化皮且彎管段外側(cè)壁的氧化皮比其余部位多的原因。通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)、化學(xué)成分分析、晶相分析、表面硬度檢測(cè)等試驗(yàn)，驗(yàn)證了熱處理后換熱管表面出現(xiàn)少量氧化皮對(duì)換熱管的各項(xiàng)性能無(wú)影響。

關(guān)鍵詞：

U型換熱管；Q345E；熱處理；氧化皮；理化試驗(yàn)

引言

U型管式換熱器是管殼式換熱器的一種，是石油化工生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的典型工藝設(shè)備。隨著石油化工裝備的大型化以及火電、核電技術(shù)的發(fā)展，U型管式換熱器以其熱補(bǔ)償性能好、傳熱性能好、承壓能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于檢修和清洗、造價(jià)便宜等優(yōu)點(diǎn)得到更為廣泛的應(yīng)用。但是，由于因管束中間部分的管子難以更換，且U型換熱管在彎制過(guò)程中容易產(chǎn)生橢圓度、殘余應(yīng)力等現(xiàn)象，會(huì)影響換熱管的使用壽命。因此，按標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)有耐應(yīng)力腐蝕要求或要求消除殘余應(yīng)力時(shí)，碳鋼和低合金鋼U型換熱管彎管檢驗(yàn)合格后，對(duì)其彎管段及至少150mm的直管段應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。熱處理后，再逐根進(jìn)行水壓試驗(yàn)，以保證換熱管的各項(xiàng)性能。本文針對(duì)某U型換熱器設(shè)備換熱管冷彎后熱處理工藝進(jìn)行了介紹，并分析熱處理后表面出現(xiàn)少量氧化皮的原因。通過(guò)試驗(yàn)論證了在選擇的熱處理參數(shù)和熱處理方法下，換熱管表面出現(xiàn)的少量氧化皮對(duì)換熱管的各項(xiàng)性能無(wú)影響［1－2］。

1換熱管材料介紹

某換熱器設(shè)備管程介質(zhì)為液氨，設(shè)計(jì)壓力為23．3MPa，設(shè)計(jì)溫度為70／（－33）℃，U形換熱管材質(zhì)為Q345E，規(guī)格為Φ19mm×3mm，材料的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

2彎管段熱處理工藝

換熱管采用工裝進(jìn)行冷彎，冷彎后成型工藝滿足尺寸公差的要求。合格后，按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彎管段及直管段至少150mm范圍內(nèi)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。熱處理后，再逐根進(jìn)行水壓試驗(yàn)。換熱管彎管合格后按組擺放在一起，管頭處采用保溫棉塞住管口，以防熱處理過(guò)程中加熱段管內(nèi)壁發(fā)生氧化。彎管處采用履帶式局部消除應(yīng)力熱處理，履帶寬度為450mm，覆蓋彎管段及直邊段150mm范圍內(nèi)的管子，并采用保溫棉覆蓋保溫，測(cè)溫?zé)犭娕贾糜诼膸?nèi)表層與履帶直接接觸的換熱管壁上，防止與履帶直接接觸的部分換熱管出現(xiàn)過(guò)熱。按設(shè)定升溫速度升溫，在（620±20）℃溫度條件下保溫15min。保溫后，按設(shè)定降溫速度降溫，當(dāng)溫度小于400℃以后，去除保溫棉，在空氣中空冷［3］。具體熱處理工藝路線如圖1所示。

3試驗(yàn)

換熱管熱處理后表面出現(xiàn)少量氧化皮，彎管段外側(cè)比其余部位氧化皮略多。由于換熱管在彎管過(guò)程中外側(cè)存在拉應(yīng)力，造成彎管段外表面氧化皮沒(méi)有彎管前致密，因此熱處理過(guò)程中鐵會(huì)往表層擴(kuò)散；而氧則相反，通過(guò)氧化皮薄膜會(huì)往金屬里面擴(kuò)散，從而進(jìn)一步氧化而出現(xiàn)較厚的氧化皮，在表面殘余應(yīng)力作用下會(huì)出現(xiàn)部分氧化皮脫落現(xiàn)象［4－5］。為確定熱處理后出現(xiàn)的氧化皮對(duì)換熱管使用性能是否有影響，利用備用換熱管進(jìn)行試驗(yàn)，截取部分換熱管，在熱處理爐內(nèi)按原熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行熱處理后，表面也同樣出現(xiàn)氧化皮。采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)熱處理后的試樣進(jìn)行了全截面拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。采用里氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行了表面硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表3可知，試驗(yàn)管在室溫條件下的拉伸強(qiáng)度平均值為508MPa，比要求的最低抗拉強(qiáng)度值高出18MPa；屈服強(qiáng)度平均值為349MPa，比要求值高；斷后延伸率也達(dá)到30％，滿足要求。說(shuō)明換熱管在熱處理后的力學(xué)性能符合要求。從表4中可知，熱處理后換熱管表面硬度也在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，說(shuō)明熱處理過(guò)程中降溫速度控制合理，未出現(xiàn)表面脆硬而導(dǎo)致的硬度超標(biāo)現(xiàn)象。另外，為確定熱處理后材料的組織成分是否發(fā)生變化，首先采用牛津直讀光譜儀對(duì)熱處理后的換熱管進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表5。并對(duì)熱處理前、后換熱管橫截面采用4％硝酸酒精侵蝕后，在金相顯微鏡下觀察其金相組織，見圖2。從化學(xué)成分表中可見，各元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，未見因溫度過(guò)高而出現(xiàn)化學(xué)元素?zé)龘p。對(duì)熱處理前、后材料金相組織圖對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，材料組織皆為珠光體和鐵素體組成，并未因溫度過(guò)高而出現(xiàn)珠光體退化現(xiàn)象。

4結(jié)論

1）采用合理的熱處理參數(shù)和熱處理方法，換熱管冷彎后殘余應(yīng)力的釋放和碳化物的均勻析出，使得彎管段組織比較均勻、硬度值相差不大、化學(xué)成分未發(fā)生變化、力學(xué)性能滿足要求，驗(yàn)證了熱處理后換熱管表面出現(xiàn)少量氧化皮對(duì)其力學(xué)性能和組織成分沒(méi)有影響。

2）對(duì)Q345E換熱管冷彎后采用履帶局部消除應(yīng)力熱處理，工藝簡(jiǎn)單、操作方便。通過(guò)選擇合適的熱處理方法和熱處理參數(shù)，保證了熱處理效果，為同類換熱器設(shè)備U型換熱管的熱處理工藝提供了經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．管殼式換熱器：GB151－2014［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015．

［2］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管：GB6479－2013［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013．

［3］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．金屬材料拉伸試驗(yàn)第一部分：室溫試驗(yàn)方法：GB／T228．1－2010［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011．

［4］國(guó)家能源局．壓力容器焊接規(guī)程：NB／T47015－2011［S］．北京：新華出版社，2011．

［5］國(guó)家能源局．承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)：NB／T47016－2011［S］．北京：新華出版社，2011.

作者:李亞鵬 周印梅 吳和斌 裴飛飛 單位:山西陽(yáng)煤化工機(jī)械有限公司