換熱器彎管固溶處理工藝研究

吳小強

中國石化國際事業有限公司 北京 100728

國內煉油化工裝置使用的高壓換熱設備，一般殼體材料為Cr- Mo 鋼，換熱管大多為奧氏體不銹鋼U 型換熱管，設計技術條件要求U 型換熱管在彎制成型后彎管部分需要做固溶處理并酸洗鈍化。由于一個訂單下來往往有上萬根換熱管，幾個訂單則有幾萬根換熱管需要逐根做以上工作。雖然該工序效率很高,但數量巨大,嚴重制約了交貨進度。在生產中，有的設計技術條件中對U 型換熱管在彎制成型后彎管部分不要求固溶處理，但在設備運行3 個月左右，部分換熱管就出現了泄漏現象，檢查發現U 型換熱管U 型段有裂紋存在。為此，有必要對所有U 型換熱管進行固溶處理的必要性進行研究和探討。

U 型換熱管冷彎過程中不但會在彎管段存在大量應力，而且微觀組織也發生了變化，固溶處理就是為了消除這些因素的不良影響。煉油裝置高壓換熱器的工作環境比較惡劣,大多為高溫高壓，介質中含有S、H2S、H2等，存在應力腐蝕、晶間腐蝕、點腐蝕等的可能性。從直觀來判斷，可以斷定U 型換熱管的彎曲半徑（R）越小，存在的應力越大，對組織和抗蝕性的影響程度可能越大。

1 試驗內容

試驗采用生產中常用的0Cr18Ni9，規格為φ19×2和φ25×2.5 的兩種換熱管。

試驗步驟：U 型換熱管彎制→U 型管熱處理→硬度檢驗→試樣加工→微觀檢驗→腐蝕試驗→微觀檢驗→彎曲試驗。

選擇5 種不同彎曲半徑（40，115，190，265，340mm）的換熱管，用兩種規格的換熱管進行試驗（φ19×2，φ25×2.5），每種彎曲半徑取3 根分別按固溶處理、亞固溶處理、不做熱處理進行試驗；之后，分別對每根U 型換熱管做硬度、宏觀和微觀檢驗，根據微觀檢驗結果選擇有代表性的U 型換熱管按GB/ T4334.5- 2008 的試驗要求做晶間腐蝕實驗。

2 試驗結果

2.1 硬度檢驗結果

硬度檢驗的結果見表1，從檢驗結果發現，未熱處理和亞固溶處理的換熱管隨著彎曲半徑的減小，硬度值增大。而固溶處理后的換熱管硬度值沒有明顯變化。說明奧氏體不銹鋼加工硬化作用明顯，并且隨著變形量的加大，加工硬化的趨勢增大。

表1 U型段各種狀態下的硬度檢驗結果

2.2 宏觀檢驗

第一次試驗中，彎曲半徑為40mm 的兩種規格換熱管固溶處理后，U 型段內側均有裂紋產生[圖1（a）和(b)]，而外側沒有裂紋，晶粒度也沒有明顯偏大。亞固溶處理和未固溶處理的換熱管則未見裂紋。

圖1 R=40mm 換熱管U型段固溶處理后的缺陷圖（×50）

分析凹陷產生的原因：U 型換熱管冷彎時內側受壓，外側受拉，材料密度變化，帶來材料電阻值的變化。固溶處理時，直接通電加熱U 型段，內側溫度升高快，造成內側溫度高于其他部分，從而引起U 型段內外側的溫度值不同；U 型段內側承受壓應力，隨著溫度的提高，材料的強度降低，當材料的強度不足以抗拒壓應力時，U 型段內側瞬時失穩向內凹陷。

2.3 微觀檢驗

彎曲半徑為40mm 的U 型管，其未熱處理的組織中都存在大量馬氏體和滑移線，但奧氏體的等軸晶形狀已完全消失，見圖2（a）和(b)。。在910～950℃溫度下進行亞固溶處理后的照片見圖3（a）和(b)，由圖可見，組織中的馬氏體大部分已經轉變，但仍有極少量馬氏體存在，其中黑色的成一定角度的組織是未轉變的馬氏體，而且圖3(b)中的馬氏體分布從晶界向晶內延伸長大，。對比圖3（a）和(b)可見，圖3（a）中的馬氏體含量中含量更少，說明φ19×2 R=40mm 的U 型管比φ25×2.5 R=40mm 的U 型管亞固溶處理溫度高。固溶處理后的組織是等軸狀的奧氏體晶粒，其中未見馬氏體，詳見圖4（a）、（b）。

圖2 R=40mm 換熱管U型段未熱處理的組織晶相照片（×200）

圖3 R=40mm 換熱管U型段亞固溶處理的組織晶相照片（×200）

圖4 R=40mm 換熱管U型段固溶處理后的組織晶相照片（×200）

彎曲半徑為115、190、265、340mm 的U 型管彎制后，未熱處理的組織中也存在滑移帶和馬氏體，但是含量隨著彎曲半徑的增大逐漸減少。R＞115mm 的U 型管彎制后的組織基本上是在奧氏體的基體上有少量的馬氏體產生，奧氏體仍保持著等軸晶的形狀。R=115mm 的U 型管未熱處理組織中的馬氏體的含量大概在20%左右，見圖5(a)。R=190mm 的U 型管未熱處理組織中的馬氏體含量大概在10%左右，見圖5(b)。R≥265mm 的U 型管未熱處理組織中沒有明顯的馬氏體，但仍存在清晰的滑移帶，見圖5(c)。

圖5 φ25×2.5 換熱管U型段未熱處理的組織晶相照片（×200）

本次試驗中，為了判斷組織中是否存在馬氏體，對照顯微組織利用磁鐵通過磁性檢驗得到進一步證實。而且組織中馬氏體的含量也可以通過磁性大小得到證實。

從微觀檢驗的結果來看，當U 型管的彎曲半徑R≥265mm 時，熱處理前后對組織的影響不大。而彎曲半徑R＜265mm 時，未熱處理的U 型管的組織中存在著馬氏體；固溶處理和亞固溶處理的U 型管組織中，馬氏體的含量隨著熱處理溫度的提高而減少。詳見圖6（a）和(b)。

圖6 φ25×2.5 R=190mm換熱管U型段熱處理后的組織晶相照片（×200）

綜合以上檢驗結果：

（1）R≥265mm 時，U 型管冷彎后未熱處理和固溶處理后的組織差別甚微，沒有明顯的馬氏體存在；

（2）當R≥115mm 時，固溶處理、亞固溶處理、未固溶處理組織之間存在差別，主要表現在馬氏體含量的不同；

（3）R=40mm 時，固溶處理、亞固溶處理和未固溶處理組織之間存在明顯差別。

奧氏體不銹鋼在冷加工過程中加工硬化的機理是［1］，在冷加工過程中晶粒內不但存在由位錯的移動而產生的滑移，而且變形量增大到一定程度之后奧氏體開始產生馬氏體轉變，并隨著變形量的增大，馬氏體轉變也隨之增加，不銹鋼的力學性能隨著變形的增加而變化，加工硬化作用也增大，所以為加工硬化做貢獻的即馬氏體轉變。在以往的生產檢驗中，往往對滑移帶和馬氏體不能做出明顯的判斷，因為目前對于奧氏體向馬氏體的轉變存在著很大爭議，轉變機理還有待研究。但是此次試驗，通過磁性檢驗方法可以判斷出馬氏體的存在。而且磁性檢驗方法非常簡單，可以為實際生產工藝的確定提供依據。

2.4 組織對不銹鋼抗蝕性能的影響

上述實驗結果，只是對未熱處理和亞固溶處理、固溶處理后材料的金相組織的差別做出了判斷，但是不同組織對不銹鋼抗蝕性能的影響還需要通過腐蝕試驗來驗證。為此，對各種狀態的U 型管均按照不銹鋼最常用的晶間腐蝕試驗方法《GB/ T4334.5 不銹鋼硫酸- 硫酸銅腐蝕試驗方法》［2］進行腐蝕試驗。

腐蝕試驗后又對各種狀態的U 型管組織作了微觀檢驗，以檢驗不同組織對不銹鋼晶間腐蝕的影響，結果見圖7(a)—(e)。通過微觀檢驗不難發現，馬氏體的存在對晶間腐蝕沒有影響。未固溶處理組織中雖然含有大量的馬氏體，但沿馬氏體的分布沒有產生晶間腐蝕傾向。固溶處理前后均有個別晶界變寬，而且晶界變寬的分布與馬氏體的分布無關。彎曲半徑R=190mm 的U 型管固溶處理的溫度由于沒有控制好，應該屬于亞固溶處理狀態，組織中仍含有馬氏體。

圖7 φ25×2.5 換熱管U型段晶間腐蝕試驗后的組織晶相照片（×200）

對以上各種狀態的U 型管在腐蝕試驗后微觀檢驗的基礎上，根據試驗標準的要求又對管進行了彎曲試驗，彎曲180°后均未發現晶間腐蝕裂紋。

3 固溶處理溫度的選擇

前面的討論和試驗已經證明固溶處理溫度選擇很重要。固溶溫度偏低影響固溶處理效果，組織和硬度均不能得到理想結果。溫度稍高，U 型段內側可能會出現內凹或裂紋等缺陷[圖1(a)、（b）]。發現這種缺陷后，又做了大量的試驗，確定了溫度的影響，發現僅當變形量大，即應力大時，固溶溫度又偏高時，易產生凹陷或裂紋等缺陷。對凹陷邊緣處進行微觀分析，發現其組織為塑性變形后金屬回復再結晶時的多邊化［3］，見圖8(a)。這種組織是在金屬冷變形后的加熱過程中，大量的位錯吸收熱能激活后在晶界內通過攀移聚集形成亞晶界，這些亞晶界在高溫下的強度和塑性都非常低，受到力的作用容易產生裂紋或凹陷。而U 型段外側的組織則正常[圖8（b）]，說明U 型段內外側的溫度存在差異，內外側的應力狀態也不同，因此內外側組織狀態不同。所以，采用直接通電加熱固溶處理應注意控制加熱溫度，合理選擇溫度的測量點。

圖8 圖1(a)中U型管U型段內外側的組織晶相照片（×125）

試驗證明，選擇U 型段內側為測量點更合理，特別是U 型半徑小于115mm 時，固溶處理的溫度應采用下限溫度1000～1050℃，以防止出現內側裂紋和凹陷。

4 結論

（1）從各種狀態的組織構成來分析，不銹鋼通過冷加工后，馬氏體轉變帶來的應力影響遠比對抗蝕性的影響大。

（2）從組織形態上觀察，當U 型管R＜115mm 時，U型管固溶處理前后的組織存在明顯差別。不論設計要求固溶處理與否，對于這種小半徑的U 型管的U 型段，冷成形后必須進行固溶處理，同時固溶處理的溫度要掌握好，應取下限值1000～1050℃。且測溫點應設在U 型段內側更為合理。

（3）通過晶間腐蝕試驗發現，馬氏體對一般的晶間腐蝕（應力腐蝕除外）影響不大，即使U 型管的彎曲半徑R=40 mm 時，固溶處理、亞固溶處理處理的未熱處理狀態的U 型管均能滿足《GB/ T4334.5 不銹鋼硫酸- 硫酸銅腐蝕試驗方法》的要求。

（4）對于沒有提出高于《GB/ T4334.5 不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法》晶間腐蝕要求的U 型管，冷成形后的固溶處理可以有選擇地進行。為了消除由于大量馬氏體轉變帶來的應力，建議對彎曲半徑R≤265mm 的U 型管U 型段必須進行固溶處理。對于彎曲半徑大的U 型換熱管，U 型段可以不進行固溶處理，當然應用在應力腐蝕敏感的環境下除外。