固定管板換熱器整體熱處理時(shí)所產(chǎn)生的問題分析

摘 要：固定管板換熱器應(yīng)用廣泛，其安全性尤為重要，而熱處理的目的恰恰是保證設(shè)備整體品質(zhì)、正常運(yùn)行和安全生產(chǎn)的有效措施之一。通過二次熱處理的方法代替整體熱處理，防止管束變形、換熱管脫層，確保設(shè)備安全運(yùn)行，為企業(yè)創(chuàng)造最大的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：變形；二次熱處理；整體熱處理；固定管板換熱器；安全性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.246

1 前言

熱處理是一種傳統(tǒng)并行之有效的改善和恢復(fù)金屬性能的方法。壓力容器焊后熱處理主要目的是降低焊接殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的組織與性能。若能焊后立即進(jìn)行熱處理，還有利于釋放焊縫金屬中的氫，防止焊接接頭焊后產(chǎn)生延遲裂紋。

換熱器應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，而固定管板換熱器由于其自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，是應(yīng)用最廣、數(shù)量最多的換熱器形式，本文針對(duì)固定管板換熱器在設(shè)計(jì)、制造過程中所遇到的整體熱處理時(shí)所產(chǎn)生的問題進(jìn)行原因分析和總結(jié)。

本廠新設(shè)計(jì)一臺(tái)氨冷凝器，管、殼程數(shù)都為1，殼程設(shè)計(jì)壓力為2MPa，設(shè)計(jì)溫度為79℃，介質(zhì)為液氨，材質(zhì)為Q345R（GB713-2008）；管程設(shè)計(jì)壓力為常壓，設(shè)計(jì)溫度為32℃，介質(zhì)為海水，換熱管材質(zhì)為10#無縫鋼管（GB9948-2013），規(guī)格為ф57x3.5x5000mm，換熱器規(guī)格為DN1600x6000，為立式固定管板換熱器。由于介質(zhì)液氨（含水量≤0.2%）的特殊性，為防止發(fā)生應(yīng)力腐蝕，破壞設(shè)備，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，設(shè)備需要作焊后熱處理，結(jié)果設(shè)備熱處理后發(fā)現(xiàn)，不僅管束整體有較大的變形，而且換熱管外表面出現(xiàn)“脫層”現(xiàn)象，即換熱管外表面的防腐層完全脫落，嚴(yán)重影響設(shè)備的投入使用。

2 原因分析

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)地咨詢考察，為了提高生產(chǎn)效率，制造廠簡化了熱處理工藝流程，此臺(tái)冷凝器焊后熱處理方法采用了焊后整體消除應(yīng)力熱處理。對(duì)換熱器而言，由于換熱器結(jié)構(gòu)的特殊性，整體熱處理往往比較困難。整體熱處理關(guān)鍵是要克服熱處理過程中升溫和降溫所產(chǎn)生的溫差應(yīng)力。熱處理時(shí)，換熱器相當(dāng)于一個(gè)封閉的靜止系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于折流板的排列布置是不對(duì)稱、不均勻的，而筒體的材質(zhì)與換熱管的材質(zhì)膨脹系數(shù)差別不大，升溫過程中筒體受熱比換熱管快，勢必造成筒體壁溫高于換熱管壁溫，使得筒體的熱膨脹比換熱管大，此時(shí)筒體受到換熱管影響而受壓應(yīng)力，而換熱管則受拉應(yīng)力，降溫時(shí)情況正好與上述相反，筒體受拉應(yīng)力，換熱管受壓應(yīng)力。由此可見，升降溫的控制是整體熱處理的關(guān)鍵，是整體熱處理的難點(diǎn)。正是由于缺乏控制整體熱處理溫度的經(jīng)驗(yàn)，加之換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的原因，使換熱器形成很大的徑向溫度梯度，造成換熱管受壓而失穩(wěn)，所以換熱管外表面出現(xiàn)“脫層”現(xiàn)象、管束變形。致使不得不重新更換新管，重新加工管束，造成時(shí)間、資源的浪費(fèi)。

3 更改熱處理工藝

焊后熱處理方法主要有：爐內(nèi)整體熱處理、分段爐內(nèi)熱處理、局部熱處理及現(xiàn)場熱處理等四大類。

文獻(xiàn)[1]規(guī)定：在可能的情況下，應(yīng)優(yōu)先采用爐內(nèi)整體加熱方法。由于整體熱處理的難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)換熱器而言難以控制掌握，所以采用二次熱處理方法即局部熱處理的方式來克服筒體與換熱管之間的溫差應(yīng)力。

按文獻(xiàn)[2]步驟：首先，對(duì)換熱器殼體進(jìn)行一次熱處理；其次待殼體與管板組焊后，再對(duì)兩道環(huán)焊縫進(jìn)行局部熱處理；最后對(duì)管板與換熱管之間的管接頭焊縫進(jìn)行局部熱處理。

4 影響管束變形的因素

熱處理變形是熱處理質(zhì)量的重要標(biāo)志之一，也是熱處理質(zhì)量的主要內(nèi)容，影響變形的因素很多，不僅僅局限于溫度的升降控制。研究表明，零部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀對(duì)熱處理變形影響也很大。在設(shè)計(jì)過程中，要考慮產(chǎn)品的工藝性，應(yīng)盡量保持零部件的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的對(duì)稱性。影響管束變形有以下因素：

（1）設(shè)計(jì)因素 ：管束的不對(duì)稱布置是為了提高換熱效率，因而引起變形的內(nèi)在因素是始終存在的，當(dāng)換熱器進(jìn)行整體熱處理時(shí)，管束中間受熱或受冷，就會(huì)引起管板不均勻變形；

（2）工藝因素：無論采用爐內(nèi)整體或局部加熱，當(dāng)加熱溫度過高，管束的剛性不足以支撐自身的重量而變形。

（3）管理因素：為節(jié)能或提高效率而加快加熱速度，減少保溫時(shí)間等。

（4）其它因素：如天氣因素，氣溫低，尤其冬季，天氣寒冷，影響冷卻速度等。見圖1。

5 結(jié)論

換熱器與一般的容器不同，采用局部熱處理，變形小、質(zhì)量好，比整體熱處理有更多的優(yōu)越性，有效的防止由于溫度梯度過大引起的管束變形，同時(shí)應(yīng)做好管板防變形措施：1.兩端的管板、支撐換熱管的折流板不在同一平面時(shí)，應(yīng)分別墊實(shí)，不得移動(dòng)，要求整個(gè)管束固定平穩(wěn)；2.局部熱處理的有效加熱范圍應(yīng)確保不產(chǎn)生有害變形。

雖然局部熱處理方法可防止管束的變形，比整體熱處理有更多的優(yōu)越性，但熱處理過程過于繁瑣，消耗太多，降低了勞動(dòng)效率。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，技術(shù)的不斷創(chuàng)新，目前國內(nèi)很多設(shè)備制造廠家通過不斷的試驗(yàn)、研究，克服了整體熱處理的難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)，從而解決了整體熱處理中管束的變形問題，畢竟整體熱處理工藝方法簡單、易操作，能夠提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，所以只要攻克整體熱處理的難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)，整體熱處理對(duì)換熱器而言，必將是今后制造業(yè)中的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB150.1-4-2011《壓力容器》[S].

[2]王非著《化工壓力容器設(shè)計(jì)》-方法、問題和要點(diǎn)第二版 [M].

個(gè)人簡介：王鑫（1986-），助理工程師，主要從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。