U型换热管的弯制工艺研究

2010-12-18赵新爱吴胜敏

化工装备技术 2010年2期

关键词：型管圆度测量点

孟静赵新爱吴胜敏杨博

(石家庄工大化工设备有限公司)

U型换热管的弯制工艺研究

孟静＊赵新爱吴胜敏杨博

(石家庄工大化工设备有限公司)

由于U型管在弯制过程中容易产生圆度偏差、残余应力、预损伤以及弯管外弧侧壁厚减薄、内弧增厚等现象,会影响弯管的使用寿命,RCC-M标准要求当变形量超过 10%时,应做成形工艺评定。通过弯管工艺评定来验证弯管工艺的正确性,为弯制U型管提供数

据支持。

冷弯管变形控制应力腐蚀晶粒度

0 前言

U型换热器是在石油化工生产中普遍应用的典型工艺设备,随着石油化工装置的大型化和火电、核电技术的发展,U型换热器以其换热性能好、传热系数高等优点得到更广泛应用。但是,由于 U型管在弯制过程中容易产生椭圆度、残余应力、预损伤以及弯管外弧侧壁厚减薄、内弧增厚等现象,会影响到弯管的使用寿命,因此 RCC-M标准要求当变形量超过 10%时,应做成形工艺评定。本文拟通过弯管工艺评定来验证弯管工艺的正确性,为弯制U型管提供数据支持。

1 弯管材料的选定

弯管工艺评定的材料采用与制造设备相同的材料。根据要制作的余热排出热交换器的模拟件。工艺评定的材料定为 00Cr19Ni10,规格为Ø16×1,弯曲半径选用模拟件产品最小的弯曲半径为 48 mm。材料的化学成分见表 1,力学性能见表 2。

表1 化学成分(质量百分数/%)

表2 力学性能

2 工艺方案制定

弯管工艺评定的目的:一是为证明所采用的成形工艺是否满足尺寸公差的要求,二是证明消应热处理工艺是否满足材料性能要求。因此我们围绕这两个目的制定弯管工艺方案。2.1 冷弯工艺的确定

RCC-M标准中规定尺寸公差包括 3部分内容:

(1)弯管后管子弯曲部分的壁厚变化量为±0.1 mm;

(2)管子弯曲部分的允许最大圆度偏差为 7%;

(3)管子弯管段与直管段间的过渡区测得的距离偏差应不超过 ±1.5 mm。

弯管工艺过程是一个复杂的弹性、塑性变形过程,其变形程度除与材料本身性能有关外,还与弯管机施加在管子上的外载荷大小有关。变形程度大小常用圆度表示,圆度偏差越大,变形程度就越大,管壁外层的减薄量也越大,因此应尽可能地控制圆度误差。圆度计算为:

式中 D——管子的名义外径,mm;

Dmax、Dmin——在管子同一横截面的任意方向测得的两个极限尺寸,mm。

采用的弯管机为W27YPC-76电脑液压弯管机,如图 1所示。夹紧块固定在转臂上,同时夹紧

图1 液压弯管机

管子。当转臂旋转时,管子便缠绕在弯管模的周围。靠模上设有能使管子产生预变形的曲线槽,通过外力,使通过靠模的管子在未弯曲时产生预变形,来抵消管子弯曲后弯管截面的圆度偏差。预变形的大小与外力的大小有关,外力的大小可以通过调节弯管模与靠模的间距δ来控制,如图 2所示。

图2 调节弯管模与靠模的间矩

经过大量的试验证明,如果间隙调整不正确,易出现管子外壁裂纹、内管壁起皱和圆度超差等现象。在反复试验的基础上,此间隙定为 1 mm。

2.2 管子冷弯后热处理的确定

RCC-M标准要求,管子在冷弯后需取样进行沸腾MgCl2应力腐蚀试验,若无裂纹产生则合格,否则需要进行消除应力热处理。按照与上述 2 .1节相同的弯管工艺弯制了 5根 U 型管,分别做了两组试验:一组不进行热处理,一组进行 4 00℃的消应处理。然后取样同时做沸腾氯化镁应力腐蚀试验。结果证明:在未经热处理的试样上,尤其是 U型管弯曲部位外侧出现了明显的细小裂纹,裂纹方向为环向,与弯管拉伸应力方向一致,而经热处理的试样上未见明显的裂纹,但经硬度测试,与原材料稍有差别。两个试样三个部位的硬度 ( HB)对比见表 3 。

表3 试样硬度对比

由表 3可见,U型管在冷弯成形后,虽然进行了 400℃的消应力热处理,但不充分,没有达到目的,合理的消应处理温度应该是在 900℃以上。

2.3 U型管的回弹

管子的回弹也是一个不能忽视的问题。管子回弹后,实际的弯曲半径增大,造成穿管困难,甚至无法穿管。因此,既能补充回弹量,又不至于引起外管壁减薄,弯管角度应控制在 180°±3°～5°的范围内。

图3 直径测量点位置

图4 壁厚测量点位置

3 U型管弯制工艺试验

弯管试验前对管材进行了严格的检验,钢管内外表面完好无损,无划痕、碰伤和其他有害缺陷,钢管表面清洁,无氧化物且粗糙度不超过 3.2μm,钢管壁厚的尺寸公差在 1±0.1mm的范围内,经材料复验其化学成分和力学性能都符合表 1和表 2的规定。

3.1 尺寸公差试验

用生产用的弯管机按本文 2.1节所述工艺弯制了 5个最小弯曲半径 R 48的弯管,并测量了 5个弯管的直径、壁厚与间距,直径测量点位置如图 3所示,壁厚测量点位置如图4所示 ,每个点间隔30°排列,每个直径测量点测量两垂直方向直径水平Ø1和竖直Ø2,壁厚测量点拱背外侧δ1、拱背内侧δ2。测量数据见表 4。

表4 Ø16×1mm的 U型管直径、壁厚、间距数据 (共测量 5根钢管)

由表 4可以看出,椭圆度最大 4.9%,最小4.4%,符合椭圆度 <7%的要求;壁厚最厚 1.07 mm,最薄 0.94 mm,符合 RCC-M壁厚 1±0.1 mm的要求;间距最大 1.2 mm,符合过渡区距离偏差不超过 ±1.5 mm的要求。

3.2 MgCl2应力腐蚀试验

分别在 5支钢管直管、变形区、过渡区分别切取长 60 mm的管段,管段两端用线切割机各切除 5 mm,中间 50 mm管段作为应力腐蚀试样。

将试样放于沸点稳定在 155℃的MgCl2溶液中浸泡 24 h,然后将试样冲洗干净放在体积比 50%的商业级盐酸中浸泡 16 h,取出后用蒸馏水仔细漂洗并彻底吹干,做液体渗透检验。在 20倍的放大镜下观察,试样表面无裂纹,符合 RCC-M(试样表面没有裂纹,表面其残余应力水平低于 100±20 MPa)要求,Ø16×1 MgCl2试验合格。

3.3 晶粒度检验

在 5支钢管变形区切取 50 mm的管段,通过线切割将其切割成宽为 15～20 mm的试样。试样抛光后,在 10%的草酸溶液中采用电压 6 V电解60 s,然后在 100倍显微镜下与标准评级片进行比较,检查结果见表 5。

表5表明,晶粒度检验试验 5支钢管均符合RCC-M≥2级的要求。