换热器弯管固溶处理工艺研究

吴小强

中国石化国际事业有限公司 北京 100728

国内炼油化工装置使用的高压换热设备，一般壳体材料为Cr- Mo 钢，换热管大多为奥氏体不锈钢U 型换热管，设计技术条件要求U 型换热管在弯制成型后弯管部分需要做固溶处理并酸洗钝化。由于一个订单下来往往有上万根换热管，几个订单则有几万根换热管需要逐根做以上工作。虽然该工序效率很高,但数量巨大,严重制约了交货进度。在生产中，有的设计技术条件中对U 型换热管在弯制成型后弯管部分不要求固溶处理，但在设备运行3 个月左右，部分换热管就出现了泄漏现象，检查发现U 型换热管U 型段有裂纹存在。为此，有必要对所有U 型换热管进行固溶处理的必要性进行研究和探讨。

U 型换热管冷弯过程中不但会在弯管段存在大量应力，而且微观组织也发生了变化，固溶处理就是为了消除这些因素的不良影响。炼油装置高压换热器的工作环境比较恶劣,大多为高温高压，介质中含有S、H2S、H2等，存在应力腐蚀、晶间腐蚀、点腐蚀等的可能性。从直观来判断，可以断定U 型换热管的弯曲半径（R）越小，存在的应力越大，对组织和抗蚀性的影响程度可能越大。

1 试验内容

试验采用生产中常用的0Cr18Ni9，规格为φ19×2和φ25×2.5 的两种换热管。

试验步骤：U 型换热管弯制→U 型管热处理→硬度检验→试样加工→微观检验→腐蚀试验→微观检验→弯曲试验。

选择5 种不同弯曲半径（40，115，190，265，340mm）的换热管，用两种规格的换热管进行试验（φ19×2，φ25×2.5），每种弯曲半径取3 根分别按固溶处理、亚固溶处理、不做热处理进行试验；之后，分别对每根U 型换热管做硬度、宏观和微观检验，根据微观检验结果选择有代表性的U 型换热管按GB/ T4334.5- 2008 的试验要求做晶间腐蚀实验。

2 试验结果

2.1 硬度检验结果

硬度检验的结果见表1，从检验结果发现，未热处理和亚固溶处理的换热管随着弯曲半径的减小，硬度值增大。而固溶处理后的换热管硬度值没有明显变化。说明奥氏体不锈钢加工硬化作用明显，并且随着变形量的加大，加工硬化的趋势增大。

表1 U型段各种状态下的硬度检验结果

2.2 宏观检验

第一次试验中，弯曲半径为40mm 的两种规格换热管固溶处理后，U 型段内侧均有裂纹产生[图1（a）和(b)]，而外侧没有裂纹，晶粒度也没有明显偏大。亚固溶处理和未固溶处理的换热管则未见裂纹。

图1 R=40mm 换热管U型段固溶处理后的缺陷图（×50）

分析凹陷产生的原因：U 型换热管冷弯时内侧受压，外侧受拉，材料密度变化，带来材料电阻值的变化。固溶处理时，直接通电加热U 型段，内侧温度升高快，造成内侧温度高于其他部分，从而引起U 型段内外侧的温度值不同；U 型段内侧承受压应力，随着温度的提高，材料的强度降低，当材料的强度不足以抗拒压应力时，U 型段内侧瞬时失稳向内凹陷。

2.3 微观检验

弯曲半径为40mm 的U 型管，其未热处理的组织中都存在大量马氏体和滑移线，但奥氏体的等轴晶形状已完全消失，见图2（a）和(b)。。在910～950℃温度下进行亚固溶处理后的照片见图3（a）和(b)，由图可见，组织中的马氏体大部分已经转变，但仍有极少量马氏体存在，其中黑色的成一定角度的组织是未转变的马氏体，而且图3(b)中的马氏体分布从晶界向晶内延伸长大，。对比图3（a）和(b)可见，图3（a）中的马氏体含量中含量更少，说明φ19×2 R=40mm 的U 型管比φ25×2.5 R=40mm 的U 型管亚固溶处理温度高。固溶处理后的组织是等轴状的奥氏体晶粒，其中未见马氏体，详见图4（a）、（b）。

图2 R=40mm 换热管U型段未热处理的组织晶相照片（×200）

图3 R=40mm 换热管U型段亚固溶处理的组织晶相照片（×200）

图4 R=40mm 换热管U型段固溶处理后的组织晶相照片（×200）

弯曲半径为115、190、265、340mm 的U 型管弯制后，未热处理的组织中也存在滑移带和马氏体，但是含量随着弯曲半径的增大逐渐减少。R＞115mm 的U 型管弯制后的组织基本上是在奥氏体的基体上有少量的马氏体产生，奥氏体仍保持着等轴晶的形状。R=115mm 的U 型管未热处理组织中的马氏体的含量大概在20%左右，见图5(a)。R=190mm 的U 型管未热处理组织中的马氏体含量大概在10%左右，见图5(b)。R≥265mm 的U 型管未热处理组织中没有明显的马氏体，但仍存在清晰的滑移带，见图5(c)。

图5 φ25×2.5 换热管U型段未热处理的组织晶相照片（×200）

本次试验中，为了判断组织中是否存在马氏体，对照显微组织利用磁铁通过磁性检验得到进一步证实。而且组织中马氏体的含量也可以通过磁性大小得到证实。

从微观检验的结果来看，当U 型管的弯曲半径R≥265mm 时，热处理前后对组织的影响不大。而弯曲半径R＜265mm 时，未热处理的U 型管的组织中存在着马氏体；固溶处理和亚固溶处理的U 型管组织中，马氏体的含量随着热处理温度的提高而减少。详见图6（a）和(b)。

图6 φ25×2.5 R=190mm换热管U型段热处理后的组织晶相照片（×200）

综合以上检验结果：

（1）R≥265mm 时，U 型管冷弯后未热处理和固溶处理后的组织差别甚微，没有明显的马氏体存在；

（2）当R≥115mm 时，固溶处理、亚固溶处理、未固溶处理组织之间存在差别，主要表现在马氏体含量的不同；

（3）R=40mm 时，固溶处理、亚固溶处理和未固溶处理组织之间存在明显差别。

奥氏体不锈钢在冷加工过程中加工硬化的机理是［1］，在冷加工过程中晶粒内不但存在由位错的移动而产生的滑移，而且变形量增大到一定程度之后奥氏体开始产生马氏体转变，并随着变形量的增大，马氏体转变也随之增加，不锈钢的力学性能随着变形的增加而变化，加工硬化作用也增大，所以为加工硬化做贡献的即马氏体转变。在以往的生产检验中，往往对滑移带和马氏体不能做出明显的判断，因为目前对于奥氏体向马氏体的转变存在着很大争议，转变机理还有待研究。但是此次试验，通过磁性检验方法可以判断出马氏体的存在。而且磁性检验方法非常简单，可以为实际生产工艺的确定提供依据。

2.4 组织对不锈钢抗蚀性能的影响

上述实验结果，只是对未热处理和亚固溶处理、固溶处理后材料的金相组织的差别做出了判断，但是不同组织对不锈钢抗蚀性能的影响还需要通过腐蚀试验来验证。为此，对各种状态的U 型管均按照不锈钢最常用的晶间腐蚀试验方法《GB/ T4334.5 不锈钢硫酸- 硫酸铜腐蚀试验方法》［2］进行腐蚀试验。

腐蚀试验后又对各种状态的U 型管组织作了微观检验，以检验不同组织对不锈钢晶间腐蚀的影响，结果见图7(a)—(e)。通过微观检验不难发现，马氏体的存在对晶间腐蚀没有影响。未固溶处理组织中虽然含有大量的马氏体，但沿马氏体的分布没有产生晶间腐蚀倾向。固溶处理前后均有个别晶界变宽，而且晶界变宽的分布与马氏体的分布无关。弯曲半径R=190mm 的U 型管固溶处理的温度由于没有控制好，应该属于亚固溶处理状态，组织中仍含有马氏体。

图7 φ25×2.5 换热管U型段晶间腐蚀试验后的组织晶相照片（×200）

对以上各种状态的U 型管在腐蚀试验后微观检验的基础上，根据试验标准的要求又对管进行了弯曲试验，弯曲180°后均未发现晶间腐蚀裂纹。

3 固溶处理温度的选择

前面的讨论和试验已经证明固溶处理温度选择很重要。固溶温度偏低影响固溶处理效果，组织和硬度均不能得到理想结果。温度稍高，U 型段内侧可能会出现内凹或裂纹等缺陷[图1(a)、（b）]。发现这种缺陷后，又做了大量的试验，确定了温度的影响，发现仅当变形量大，即应力大时，固溶温度又偏高时，易产生凹陷或裂纹等缺陷。对凹陷边缘处进行微观分析，发现其组织为塑性变形后金属回复再结晶时的多边化［3］，见图8(a)。这种组织是在金属冷变形后的加热过程中，大量的位错吸收热能激活后在晶界内通过攀移聚集形成亚晶界，这些亚晶界在高温下的强度和塑性都非常低，受到力的作用容易产生裂纹或凹陷。而U 型段外侧的组织则正常[图8（b）]，说明U 型段内外侧的温度存在差异，内外侧的应力状态也不同，因此内外侧组织状态不同。所以，采用直接通电加热固溶处理应注意控制加热温度，合理选择温度的测量点。

图8 图1(a)中U型管U型段内外侧的组织晶相照片（×125）

试验证明，选择U 型段内侧为测量点更合理，特别是U 型半径小于115mm 时，固溶处理的温度应采用下限温度1000～1050℃，以防止出现内侧裂纹和凹陷。

4 结论

（1）从各种状态的组织构成来分析，不锈钢通过冷加工后，马氏体转变带来的应力影响远比对抗蚀性的影响大。

（2）从组织形态上观察，当U 型管R＜115mm 时，U型管固溶处理前后的组织存在明显差别。不论设计要求固溶处理与否，对于这种小半径的U 型管的U 型段，冷成形后必须进行固溶处理，同时固溶处理的温度要掌握好，应取下限值1000～1050℃。且测温点应设在U 型段内侧更为合理。

（3）通过晶间腐蚀试验发现，马氏体对一般的晶间腐蚀（应力腐蚀除外）影响不大，即使U 型管的弯曲半径R=40 mm 时，固溶处理、亚固溶处理处理的未热处理状态的U 型管均能满足《GB/ T4334.5 不锈钢硫酸- 硫酸铜腐蚀试验方法》的要求。

（4）对于没有提出高于《GB/ T4334.5 不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法》晶间腐蚀要求的U 型管，冷成形后的固溶处理可以有选择地进行。为了消除由于大量马氏体转变带来的应力，建议对弯曲半径R≤265mm 的U 型管U 型段必须进行固溶处理。对于弯曲半径大的U 型换热管，U 型段可以不进行固溶处理，当然应用在应力腐蚀敏感的环境下除外。