U型换热管弯管段热处理工艺探讨

李亚鹏，周印梅，吴和斌，裴飞飞

(山西阳煤化工机械有限公司，山西 太原 030032)



U型换热管弯管段热处理工艺探讨

李亚鹏，周印梅，吴和斌，裴飞飞

(山西阳煤化工机械有限公司，山西 太原 030032)

对U型换热管冷弯后热处理工艺进行了介绍，分析了热处理后表面出现少量氧化皮且弯管段外侧壁的氧化皮比其余部位多的原因。通过力学性能试验、化学成分分析、晶相分析、表面硬度检测等试验，验证了热处理后换热管表面出现少量氧化皮对换热管的各项性能无影响。

U型换热管；Q345E；热处理；氧化皮；理化试验

引 言

U型管式换热器是管壳式换热器的一种，是石油化工生产中普遍应用的典型工艺设备。随着石油化工装备的大型化以及火电、核电技术的发展，U型管式换热器以其热补偿性能好、传热性能好、承压能力强、结构简单、便于检修和清洗、造价便宜等优点得到更为广泛的应用。但是，由于因管束中间部分的管子难以更换，且U型换热管在弯制过程中容易产生椭圆度、残余应力等现象，会影响换热管的使用寿命。因此，按标准要求，对有耐应力腐蚀要求或要求消除残余应力时，碳钢和低合金钢U型换热管弯管检验合格后，对其弯管段及至少150 mm的直管段应进行消除应力热处理。热处理后，再逐根进行水压试验，以保证换热管的各项性能。本文针对某U型换热器设备换热管冷弯后热处理工艺进行了介绍，并分析热处理后表面出现少量氧化皮的原因。通过试验论证了在选择的热处理参数和热处理方法下，换热管表面出现的少量氧化皮对换热管的各项性能无影响[1-2]。

1 换热管材料介绍

某换热器设备管程介质为液氨，设计压力为23.3 MPa，设计温度为70/(-33)℃，U形换热管材质为Q345E，规格为Φ19 mm×3 mm，材料的化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 Q345E管材的化学成分 %

表2 Q345E管材的力学性能

2 弯管段热处理工艺

换热管采用工装进行冷弯，冷弯后成型工艺满足尺寸公差的要求。合格后，按标准对弯管段及直管段至少150 mm范围内进行消除应力热处理。热处理后，再逐根进行水压试验。

换热管弯管合格后按组摆放在一起，管头处采用保温棉塞住管口，以防热处理过程中加热段管内壁发生氧化。弯管处采用履带式局部消除应力热处理，履带宽度为450 mm，覆盖弯管段及直边段150 mm范围内的管子，并采用保温棉覆盖保温，测温热电偶置于履带内表层与履带直接接触的换热管壁上，防止与履带直接接触的部分换热管出现过热。按设定升温速度升温，在(620±20)℃温度条件下保温15 min。保温后，按设定降温速度降温，当温度小于400 ℃以后，去除保温棉，在空气中空冷[3]。具体热处理工艺路线如图1所示。

图1 热处理工艺路线图

3 试验

换热管热处理后表面出现少量氧化皮，弯管段外侧比其余部位氧化皮略多。由于换热管在弯管过程中外侧存在拉应力，造成弯管段外表面氧化皮没有弯管前致密，因此热处理过程中铁会往表层扩散；而氧则相反，通过氧化皮薄膜会往金属里面扩散，从而进一步氧化而出现较厚的氧化皮，在表面残余应力作用下会出现部分氧化皮脱落现象[4-5]。

为确定热处理后出现的氧化皮对换热管使用性能是否有影响，利用备用换热管进行试验，截取部分换热管，在热处理炉内按原热处理工艺参数进行热处理后，表面也同样出现氧化皮。采用万能拉伸试验机对热处理后的试样进行了全截面拉伸试验，结果如表3所示。采用里氏硬度计对试样进行了表面硬度测试，测试结果如表4所示。

表3 室温条件下拉伸试验结果

表4 表面硬度值

由表3可知，试验管在室温条件下的拉伸强度平均值为508 MPa，比要求的最低抗拉强度值高出18 MPa；屈服强度平均值为349 MPa，比要求值高；断后延伸率也达到30%，满足要求。说明换热管在热处理后的力学性能符合要求。从表4中可知，热处理后换热管表面硬度也在标准要求范围内，说明热处理过程中降温速度控制合理，未出现表面脆硬而导致的硬度超标现象。

另外，为确定热处理后材料的组织成分是否发生变化，首先采用牛津直读光谱仪对热处理后的换热管进行化学成分测试，测试结果见表5。并对热处理前、后换热管横截面采用4%硝酸酒精侵蚀后，在金相显微镜下观察其金相组织，见图2。

表5 热处理后换热管化学成分 %

图2 热处理前、后换热管显微组织

从化学成分表中可见，各元素含量符合标准要求，未见因温度过高而出现化学元素烧损。对热处理前、后材料金相组织图对比分析发现，材料组织皆为珠光体和铁素体组成，并未因温度过高而出现珠光体退化现象。

4 结论

1) 采用合理的热处理参数和热处理方法，换热管冷弯后残余应力的释放和碳化物的均匀析出，使得弯管段组织比较均匀、硬度值相差不大、化学成分未发生变化、力学性能满足要求，验证了热处理后换热管表面出现少量氧化皮对其力学性能和组织成分没有影响。

2) 对Q345E换热管冷弯后采用履带局部消除应力热处理，工艺简单、操作方便。通过选择合适的热处理方法和热处理参数，保证了热处理效果，为同类换热器设备U型换热管的热处理工艺提供了经验和理论依据。

[1] 国家质量监督检验检疫总局.管壳式换热器：GB 151-2014[S].北京：中国标准出版社，2015.

[2] 国家质量监督检验检疫总局.高压化肥设备用无缝钢管：GB 6479-2013[S].北京：中国标准出版社，2013.

[3] 国家质量监督检验检疫总局.金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法：GB/T 228.1-2010[S].北京：中国标准出版社，2011.

[4] 国家能源局.压力容器焊接规程：NB/T 47015-2011[S].北京：新华出版社，2011.

[5] 国家能源局.承压设备产品焊接试件的力学性能检验：NB/T 47016-2011[S].北京：新华出版社，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

李亚鹏，男，1987年出生，2013年毕业于太原理工大学，硕士学位，助理工程师，从事压力容器制造工艺方面工作。

化机与设备

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

TQ05

A

1004-7050(2016)05-0088-02