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换热器管束整体热处理的变形与分析点击：2367 日期：[ 2014-04-26 22:13:39 ] |
| 换热器管束整体热处理的变形与分析 方习文 潮道明 （安徽盈创石化检安公司 安徽安庆 ２４６００１） 摘要：本文分析了换热器的管束焊后热处理（ＰＷＨＴ）变形原因，引起变形的因素有设计、工艺等多方面，指出管束整体炉内加热ＰＷＨＴ 是产生变形的主要因素之一，设计、制造时应采用局部加热方式ＰＷＨＴ。 关键词：焊后热处理 变形 整体炉内加热 局部加热 针对化工工艺中压力和温度不断升高，剧烈的腐蚀环境，对材料的要求更苛刻，为此开发出众多高强度、耐高温、耐腐蚀钢，如 ２ ． ２ ５ Ｃ ｒ － Ｍ ｏ 、１ ５ Ｃ ｒ Ｍ ｏ 、０ ８ Ｃ ｒ ２ Ａ ｌ Ｍ ｏ 、１２Ｃｒ２ＡｌＭｏＶ 钢，对用高强钢制造的管壳式换热器管束，管头多采用焊接或焊接加贴胀，为了得到满意的焊接接头，消除焊接残余应力，改焊缝及热影响区的性能，焊后必须进行热处理。我国有关标准规定［１］，对钢制压力容器焊后热处理，优先采用在炉内加热的方法，最好是整体炉内加热。国外标准［２］也有类似的要求。 焊后热处理（ＰＷＨＴ）的施工方法可分为整体炉内 ＰＷＨＴ，整体炉外 ＰＷＨＴ 及局部 ＰＷＨＴ 等多种方式。炉内加热具有易于实现自动控制，便于保持炉温均匀，对工件的热处理质量有保证，运行费用较低，操作方便，工人劳动强度低，但是一次性投资大等特点。局部加热的设备简单，一次性投资小，但不易控制温度，对大形工件难以保持各点的温度均匀，不利热处理质量的保证，操作复杂，劳动强度大，加热垫易损坏导致运行费用较高。生产中，应采用合理的热处理施工方法，来避免变形的产生。 图 1 测温点设置及支撑工装置意图 １．问题与现象 根据图纸的设计要求，对管子与管板材料为 １５ＣｒＭｏ＋１５ＣｒＭｏ（ＩＩＩ）、０８Ｃｒ２ＡｌＭｏ－１２Ｃｒ２ＡｌＭｏＶ（ＩＩＩ）和２０＋１６Ｍｎ（ＩＩ）管束，分别采取炉内加热和局部加热，两种不同的焊后热处理，热处理类型皆为去应力退火。实施 ＰＷＨＴ 之前，温控措施和防变形措施基本相同。用槽钢支架支撑所有折流板，要求固定平稳，两端管板用支架垫实。分别在两端管板及中间的折流板上下各点焊一螺母，固定热电偶，实测控温，并保证不同的测温点之间温差不大于６０℃。测温点设置和防变形措施见图１。 采取炉内加热，加热设备为 ４ ｍ × ４ ｍ ×２０ｍ 的干气加热炉，对管子与管板材料为１５ＣｒＭｏ＋１５ＣｒＭｏ（ＩＩＩ）管束进行去应力退火热处理，图２是其焊后热处理工艺曲线图。当管束进加热炉后，经过升温，３００℃以上升温速度＜６０℃／ｈ，并保证各热电偶间温差不大于６０℃，保温，炉冷到 ３５０℃以下，冷却速度＜１５０℃／ｈ，在此期间，可通过炉壁观测孔定每３０ 分钟观察一次，正常，随后出炉，与支架一起放在车间厂房进行空冷，不久发现管束开始变形，当最终冷却到常温时，管束变形量较大。管束呈波浪形、翘曲、扭曲，见图 ３。０８Ｃｒ２ＡｌＭｏ－１２Ｃｒ２ＡｌＭｏＶ （ＩＩＩ）管束炉内加热焊后热也存在类似的情况。测量管束以下变形量。①管束直线度，②两管板的平行度，③两 管 板 扭 曲度，④管束中心线的最大变形量以及⑤管束的总长度偏 差，测量结果见表 １ 。 采用电热块局部加热方式 Ｐ Ｗ Ｈ Ｔ ，对管子与管板材料为 １５ＣｒＭｏ＋１５ＣｒＭｏ（ＩＩＩ） 和 ２０＋１６Ｍｎ（ＩＩ）管束，同样进行去应力退火热处理，采取上述方法做好防变形措施，因采用电热块局部加热，只在两端管板上下设置热电偶，采用保温棉保温，保温长度为＞４００ｍｍ，保温厚度 ５０ｍｍ。其热处理过程相同，工艺参数及处理结果也见表 １。 通过表１可以发现，局部加热时因管束中间不受热，几乎没变形。而炉内加热情况变形较大。由于管束变形大，穿芯困难，使用机械强力装配后，又会产生新的装配应力，引起管子与折流板管孔边缘的强烈磨擦，严重时会导致管子穿孔，同时，在试压时因管板不平行，螺栓预紧力很大，导致密封不严，易产生泄露，给装配、试压带来不便。 原因分析： 管束作为一个整体，其内部结构是不对称不均匀的，折流板错位排列，另外还附有滑道附件等。冷却时，特别在４００℃以下出炉空冷时，冷却速度加快，出炉时管束的温度比周围的空气高出许多，形成极大温差，加之管束由列管组成，管子间存在许多缝隙，热空气从上方冒出，周围的冷空气补充进来，易形成对流，加快了冷却速度，此时的冷却速度要比实心体快得多。由于内外层管子冷却收缩不均，加上折流板、滑道约束的影响，导致了管束伸长、缩短、翘曲、扭曲变形。可以看出，波浪形是随着折流板的布置而波动，明显是由折流板的非对称约束引起的。而采用炉局部 ＰＷＴＨ 时，因管束的中间部分的温度没有升高，产生的温度应力小，几乎没有变形产生。 影响管束变形的因素： 热处理变形是热处理质量的重要标志之一，也是热处理质量的主要内容，影响管束变形的因素很多，研究表明，零件的结构、尺寸、形状对热处理变形有很大影响。在设计过程中，要考虑产品的工艺性，如零件的截面力求均匀，应尽量保持结构和化学成份的对称性，以减少由于冷却不均引起的畸变。影响管束变形有以下因素： ⑴设计因素：管束的不对称结构是为了提高换热效率，因而引起变形的内在因素是时终存在，在管束进行整体 Ｐ Ｗ Ｈ Ｔ时，当管束中间受热或冷却时，就会引起不均匀变形。 ⑵工艺因素：不论采用炉内整体或局部加热，当加热温度过高，管束的刚性不足以支撑自身的重量而变 表１不同管束热处理工艺参数及变形量 注：３，４ 变形量在质量控制范围之内。形。升温各冷却速度太快，出炉温度太高，冷却速度太快（如空冷），易造成变形，而随炉缓冷到室温变形要小，但生产周期太长。 ⑶管理因素：为节能或提高效率而加快加热速度，减少保温时间。因工期要求紧张，或要求提前交货而加快空冷速度。操作人员不按工艺操作。 ⑷其它因素：气温低，尤其是在冬季，天气寒冷，或大风天气，影响冷却速度。 结论 ⑴做好防变形措施，两端的管板，支撑列管的折流板不在一个水平面时，应分别垫实，不得移动，要求整个管束固定平稳。 ⑵无论采取何种加热方式进行ＰＷＨＴ，当空冷时，应将管束放在避风的地方，不要放在空旷的厂房中间，以防穿堂风，或与周围环境形成对流，冬季其要注意。 ⑶与一般容器不同，换热器管束管头热处理采用局部加热，变形小，质量更好，比整体炉内加热有更多的优越性。其实，管束管头焊缝很小，只要将整个管束的管头加热到工艺要求的温度和保温时间，就足够消除焊接应力。因此建议，在设计、制造时，技术条件中对管头热处理应采用局部加热方式，而不是整体炉内加热 Ｐ Ｗ Ｈ Ｔ 。 参考文献 ［１］ ＧＢ１５０－１９９８《钢制压力容器》 ［ｓ］ ［２］ ＂ＡＳＭＥ Ｂｏｉｌｅｒ ＆ Ｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌ Ｃｏｄｅ， ｓｅｃｔｉｏｎ ＶＩＩＩ，Ｄｉｖｉｓｉｏｎ １＂．１９９８ ［ｓ］ ［３］ ＧＢ１５１－１９９９《钢制管壳式换热器》［ｓ］ |
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