U型換熱管彎管段熱處理工藝探討

李亞鵬，周印梅，吳和斌，裴飛飛

(山西陽煤化工機械有限公司，山西 太原 030032)

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U型換熱管彎管段熱處理工藝探討

李亞鵬，周印梅，吳和斌，裴飛飛

(山西陽煤化工機械有限公司，山西 太原 030032)

對U型換熱管冷彎后熱處理工藝進行了介紹，分析了熱處理后表面出現少量氧化皮且彎管段外側壁的氧化皮比其余部位多的原因。通過力學性能試驗、化學成分分析、晶相分析、表面硬度檢測等試驗，驗證了熱處理后換熱管表面出現少量氧化皮對換熱管的各項性能無影響。

U型換熱管；Q345E；熱處理；氧化皮；理化試驗

引 言

U型管式換熱器是管殼式換熱器的一種，是石油化工生產中普遍應用的典型工藝設備。隨著石油化工裝備的大型化以及火電、核電技術的發展，U型管式換熱器以其熱補償性能好、傳熱性能好、承壓能力強、結構簡單、便于檢修和清洗、造價便宜等優點得到更為廣泛的應用。但是，由于因管束中間部分的管子難以更換，且U型換熱管在彎制過程中容易產生橢圓度、殘余應力等現象，會影響換熱管的使用壽命。因此，按標準要求，對有耐應力腐蝕要求或要求消除殘余應力時，碳鋼和低合金鋼U型換熱管彎管檢驗合格后，對其彎管段及至少150 mm的直管段應進行消除應力熱處理。熱處理后，再逐根進行水壓試驗，以保證換熱管的各項性能。本文針對某U型換熱器設備換熱管冷彎后熱處理工藝進行了介紹，并分析熱處理后表面出現少量氧化皮的原因。通過試驗論證了在選擇的熱處理參數和熱處理方法下，換熱管表面出現的少量氧化皮對換熱管的各項性能無影響[1-2]。

1 換熱管材料介紹

某換熱器設備管程介質為液氨，設計壓力為23.3 MPa，設計溫度為70/(-33)℃，U形換熱管材質為Q345E，規格為Φ19 mm×3 mm，材料的化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 Q345E管材的化學成分 %

表2 Q345E管材的力學性能

2 彎管段熱處理工藝

換熱管采用工裝進行冷彎，冷彎后成型工藝滿足尺寸公差的要求。合格后，按標準對彎管段及直管段至少150 mm范圍內進行消除應力熱處理。熱處理后，再逐根進行水壓試驗。

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，以防熱處理過程中加熱段管內壁發生氧化。彎管處采用履帶式局部消除應力熱處理，履帶寬度為450 mm，覆蓋彎管段及直邊段150 mm范圍內的管子，并采用保溫棉覆蓋保溫，測溫熱電偶置于履帶內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過熱。按設定升溫速度升溫，在(620±20)℃溫度條件下保溫15 min。保溫后，按設定降溫速度降溫，當溫度小于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。

圖1 熱處理工藝路線圖

3 試驗

換熱管熱處理后表面出現少量氧化皮，彎管段外側比其余部位氧化皮略多。由于換熱管在彎管過程中外側存在拉應力，造成彎管段外表面氧化皮沒有彎管前致密，因此熱處理過程中鐵會往表層擴散；而氧則相反，通過氧化皮薄膜會往金屬里面擴散，從而進一步氧化而出現較厚的氧化皮，在表面殘余應力作用下會出現部分氧化皮脫落現象[4-5]。

為確定熱處理后出現的氧化皮對換熱管使用性能是否有影響，利用備用換熱管進行試驗，截取部分換熱管，在熱處理爐內按原熱處理工藝參數進行熱處理后，表面也同樣出現氧化皮。采用萬能拉伸試驗機對熱處理后的試樣進行了全截面拉伸試驗，結果如表3所示。采用里氏硬度計對試樣進行了表面硬度測試，測試結果如表4所示。

表3 室溫條件下拉伸試驗結果

表4 表面硬度值

由表3可知，試驗管在室溫條件下的拉伸強度平均值為508 MPa，比要求的最低抗拉強度值高出18 MPa；屈服強度平均值為349 MPa，比要求值高；斷后延伸率也達到30%，滿足要求。說明換熱管在熱處理后的力學性能符合要求。從表4中可知，熱處理后換熱管表面硬度也在標準要求范圍內，說明熱處理過程中降溫速度控制合理，未出現表面脆硬而導致的硬度超標現象。

另外，為確定熱處理后材料的組織成分是否發生變化，首先采用牛津直讀光譜儀對熱處理后的換熱管進行化學成分測試，測試結果見表5。并對熱處理前、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。

表5 熱處理后換熱管化學成分 %

圖2 熱處理前、后換熱管顯微組織

從化學成分表中可見，各元素含量符合標準要求，未見因溫度過高而出現化學元素燒損。對熱處理前、后材料金相組織圖對比分析發現，材料組織皆為珠光體和鐵素體組成，并未因溫度過高而出現珠光體退化現象。

4 結論

1) 采用合理的熱處理參數和熱處理方法，換熱管冷彎后殘余應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、化學成分未發生變化、力學性能滿足要求，驗證了熱處理后換熱管表面出現少量氧化皮對其力學性能和組織成分沒有影響。

2) 對Q345E換熱管冷彎后采用履帶局部消除應力熱處理，工藝簡單、操作方便。通過選擇合適的熱處理方法和熱處理參數，保證了熱處理效果，為同類換熱器設備U型換熱管的熱處理工藝提供了經驗和理論依據。

[1] 國家質量監督檢驗檢疫總局.管殼式換熱器：GB 151-2014[S].北京：中國標準出版社，2015.

[2] 國家質量監督檢驗檢疫總局.高壓化肥設備用無縫鋼管：GB 6479-2013[S].北京：中國標準出版社，2013.

[3] 國家質量監督檢驗檢疫總局.金屬材料拉伸試驗第一部分：室溫試驗方法：GB/T 228.1-2010[S].北京：中國標準出版社，2011.

[4] 國家能源局.壓力容器焊接規程：NB/T 47015-2011[S].北京：新華出版社，2011.

[5] 國家能源局.承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗：NB/T 47016-2011[S].北京：新華出版社，2011.

Discussion on heat treatment process of U-type heat exchanger tube

LI Yapeng, ZHOU Yinmei, WU Hebin, PEI Feifei

(Shanxi Yangmei Chemical Industry Machinery Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030032, China)

The heat treatment process of U-type heat exchange tube cold bending is introduced. The reason of oxide skin existing after heat treatment as well as the oxide skin of lateral section wall more than other parts are analyzed. Through the test of mechanical properties, chemical composition analysis, phase analysis, hardness testing, it could be verified that small amount of oxidation layers existing after heat treatment has no effect on various performance of the tube.

U-type heat exchanger tube; Q345E; heat treatment; oxide skin; physical and chemical test

2016-04-28

李亞鵬，男，1987年出生，2013年畢業于太原理工大學，碩士學位，助理工程師，從事壓力容器制造工藝方面工作。

化機與設備

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2016.05.26

TQ05

A

1004-7050(2016)05-0088-02