液苯取樣換熱器雙相不銹鋼蛇形管的制造技術(shù)

劉英東，李慧艷，姜殿軍，王成偉

(大連菱日電力設(shè)備有限公司，遼寧 大連　116032)

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經(jīng)驗(yàn)交流

液苯取樣換熱器雙相不銹鋼蛇形管的制造技術(shù)

劉英東，李慧艷，姜殿軍，王成偉

(大連菱日電力設(shè)備有限公司，遼寧 大連116032)

摘要：闡述某石化裝置中液苯取樣換熱器蛇形管的制造工藝。通過(guò)設(shè)計(jì)和制作盤管胎具以及模擬試驗(yàn)件的制作，對(duì)雙相不銹鋼蛇形管成型過(guò)程作了具體闡述和要求，并通過(guò)檢查和試驗(yàn)確定方案的可行性，為今后批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：取樣換熱器；蛇形管；雙相不銹鋼；制造工藝；檢查

0引言

蛇形管換熱器是一種簡(jiǎn)單的換熱設(shè)備，它屬于管殼式換熱器的一種，其傳熱面是由彎曲成平板或圓柱的蛇形管來(lái)承擔(dān)[1-2]。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空間緊湊，且能承受一定的高壓，常用于高壓流體的冷卻以及反應(yīng)器的傳熱元件中，用于檢測(cè)裝置內(nèi)氣體和液體化驗(yàn)取樣冷卻等。本文針對(duì)某公司承攬的一石化項(xiàng)目中液苯取樣換熱器S31803雙相不銹鋼蛇形管的制造工藝過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)地介紹。

1設(shè)備結(jié)構(gòu)概況

該設(shè)備總高1.363 m，由上、下平蓋封頭、筒體、蛇形管、內(nèi)支撐管、進(jìn)出口接管、支腿等組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按ASME Ⅷ DIV.1—2010版及2011增補(bǔ)，殼體材料為SA-266M Gr.2，設(shè)計(jì)壽命為20年，蛇管材料為SA-789M UNS S31803，設(shè)計(jì)壽命為10年，尺寸如圖2所示。

圖1　蛇形管換熱器外形結(jié)構(gòu)

該取樣換熱器與整個(gè)裝置中的換熱器串聯(lián)在一起，用于對(duì)介質(zhì)進(jìn)行取樣分析和檢測(cè)。蛇管由金屬直管彎曲而成，安裝沉浸在殼體中，兩種流體分別在管內(nèi)、外進(jìn)行冷熱交換。此種蛇管的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，價(jià)格低廉，操作敏感性較小，且管子可以承受較大的流體介質(zhì)壓力，目前在很多領(lǐng)域都廣泛地應(yīng)用[3]。

圖2　蛇形管結(jié)構(gòu)尺寸

2蛇管材料及特點(diǎn)

蛇形管材料為SA-789M UNS S31803，是ASME標(biāo)準(zhǔn)材料，此材料具有耐腐蝕、高強(qiáng)度和易于制造加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，但更接近于鐵素體不銹鋼和碳鋼。材料除應(yīng)符合ASME SA-789M UNS S31803的規(guī)定外，還應(yīng)滿足以下要求：鋼管應(yīng)需經(jīng)1080±10 ℃光亮固溶處理交貨，化學(xué)成分和力學(xué)性能應(yīng)分別符合表1和表2的規(guī)定[4]，此外，每根管需按ASTM E309進(jìn)行渦流探傷檢測(cè)，ASTM E213進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)、按SA-1016M進(jìn)行水壓試驗(yàn)檢測(cè)[5-7]。

表1　雙相不銹鋼S31803化學(xué)成分　%

表2　雙相不銹鋼S31803力學(xué)性能

3蛇形管的制造工藝

3.1　胎具設(shè)計(jì)與計(jì)算

根據(jù)蛇形管的結(jié)構(gòu)形式及尺寸設(shè)計(jì)、制作蛇管成型胎具[8]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。胎具旋轉(zhuǎn)一圈的理論展開長(zhǎng)、蛇形管旋轉(zhuǎn)一圈的理論展開長(zhǎng)、螺旋體胎具理論圈數(shù)以及蛇管展開總長(zhǎng)分別按下面方法計(jì)算。考慮成型后管本身的回彈量，在設(shè)計(jì)螺旋體胎具的中徑時(shí)要比圖紙理論中徑小6 mm(此數(shù)據(jù)為經(jīng)多次試驗(yàn)得出經(jīng)驗(yàn)值)。

圖3蛇形管成型胎具結(jié)構(gòu)示意

(1)胎具旋轉(zhuǎn)一圈理論展開長(zhǎng)：根據(jù)圖4計(jì)算，L1=308 mm(勾股定理)；

圖4　胎具旋轉(zhuǎn)一圈展開長(zhǎng)

(2)蛇形管旋轉(zhuǎn)一圈理論展開長(zhǎng)：根據(jù)圖5計(jì)算，L2=327 mm(勾股定理)；

圖5　蛇形管旋轉(zhuǎn)一圈展開長(zhǎng)

(3)螺旋體胎具理論圈數(shù)：螺旋管理論展開長(zhǎng)/胎具中徑一圈的展開長(zhǎng)=(φ104×π×26.5圈)÷(φ98×π)=28圈；

(4)蛇形管展開總長(zhǎng)：根據(jù)圖6計(jì)算，L=A+2B+2C=8658 +2×38+2×220=9174 mm(注：直段取220 mm，包含水壓余量)。

圖6蛇形管展開總長(zhǎng)

3.2　盤管前確認(rèn)與盤管

蛇形管的成型過(guò)程和檢查按以下要求執(zhí)行(成型過(guò)程見圖7)。

(1)盤管前確認(rèn)整根管外表面光滑，無(wú)條痕、折疊、裂紋等缺陷；

(2)盤管前測(cè)量管徑、厚度和圓度，判定是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；

(3)按圖6所示在直管上分別劃出直段、R30段、螺旋管展開弧長(zhǎng)各段線，并用記號(hào)筆作標(biāo)記(注：管兩端的直段均需加20~30 mm，用于水壓試驗(yàn)焊接工裝和切割)；

(4)利用彎管器對(duì)直管的一端R30進(jìn)行成型；

(a)直管一端R30成型(b)裝入螺旋體胎具中

(c)　盤管開始

(d)　理論圈數(shù)一半

(e)　盤管中

(f)　盤管結(jié)束

(g)　測(cè)量螺距

(h)　測(cè)量直徑

(5)裝入螺旋體胎具開始盤管，過(guò)程中用力要均勻，當(dāng)盤旋28圈后還要多盤旋40 mm左右，主要是因?yàn)榱硪欢说闹倍尾糠只貜椓枯^大；

(6)拆卸胎具上的固定套和滑動(dòng)輪，反向盤旋把手，蛇形管自動(dòng)從螺旋體胎具退出；測(cè)量螺距和管徑等尺寸。

3.3　固溶處理及檢查

在成型過(guò)程中，由于蛇形管受軸向和徑向的拉伸和壓縮產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力，為使材料恢復(fù)原始的性能，成型后進(jìn)行固溶處理。蛇形管隨爐升溫，快速加熱到1070±15 ℃，保溫10~20 min后出爐水冷。熱處理時(shí)蛇形管水平放置在電爐中，底部鋪一塊不銹鋼墊板，盡量避免與碳鋼直接接觸產(chǎn)生滲碳。另外，升溫、降溫要均勻，防止產(chǎn)生變形和有害的應(yīng)力。固溶后檢查每圈管的直徑、圓度以及螺距等相關(guān)尺寸，與固溶前對(duì)比均沒有太大的變化，表面也沒有出現(xiàn)裂紋等缺陷，使用φ5 mm鋼球能順利通過(guò)，驗(yàn)證了熱處理過(guò)程中沒有產(chǎn)生很大的變形。

3.4　另一端R30成型

熱處理后將蛇形管安裝到內(nèi)部支撐管上，確認(rèn)盤旋圈數(shù)和螺距是否與圖紙相同，檢查無(wú)誤后，利用彎管器對(duì)另一端R30成型，并使用火焰加熱和水冷方式進(jìn)行局部固溶處理。

3.5　水壓試驗(yàn)及檢查

為檢查蛇形管在成型過(guò)程中因擠壓和拉伸有可能出現(xiàn)裂紋等缺陷，對(duì)成型后的蛇形管進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力2.0 MPa，保壓10 s，檢查無(wú)泄漏、無(wú)可見的變形和異常的響聲。

3.6　酸洗、鈍化

水壓試驗(yàn)后對(duì)蛇管內(nèi)、外表面進(jìn)行酸洗鈍化。酸洗時(shí)蛇管要整體浸泡在酸液中，將熱處理產(chǎn)生的氧化皮、水壓殘留的水分等清洗干凈。酸洗后經(jīng)pH試紙、目視檢查合格后再用清水沖洗。

4取樣分析檢查

4.1　取樣位置

如圖8所示，從蛇管的R30段、180°段各取一段試樣，分別編號(hào)為1#,2#，用于取樣試驗(yàn)檢查。

圖8　取樣位置示意

4.2　擴(kuò)口、壓扁試驗(yàn)

按GB/T 246—2007，GB/T 242標(biāo)準(zhǔn)對(duì)編號(hào)為1#，2#雙相不銹鋼試樣進(jìn)行壓扁和擴(kuò)口試驗(yàn)，兩件試樣均未出現(xiàn)裂紋和裂口等缺陷。

4.3　金相微觀組織、α相面積檢測(cè)

對(duì)1#，2#雙相不銹鋼試樣斷面進(jìn)行金相檢測(cè)表明，試樣顯微組織均為雙相組織，黑色條狀部分為鐵素體相，白色部分為奧氏體相，見圖9。經(jīng)觀察，并未發(fā)現(xiàn)晶粒邊界出現(xiàn)第二相析出等冶金缺陷，雙相不銹鋼中α相面積含量約為40%。

(a)1#試樣500×(b)2#試樣500×

圖9雙相不銹鋼微觀組織照片

4.4　晶間腐蝕

雙相鋼的晶間腐蝕按ASTM A923-03(Method C)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[9]。腐蝕速率按下式計(jì)算：

失重=(腐蝕前重-腐蝕后重)×1000

腐蝕速率=失重/(表面面積×?xí)r間)

表3　1#，2#試樣腐蝕結(jié)果

1#，2#雙相不銹鋼試樣在FeCl3溶液中浸泡24 h后，表面均未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕產(chǎn)物粘附，腐蝕結(jié)果見表3。1#，2#雙相不銹鋼試樣腐蝕速率分別為5.16,6.68 mdd，平均腐蝕速率5.92 mdd。結(jié)果表明，1#，2#試樣平均腐蝕速率都小于標(biāo)準(zhǔn)的最大允許腐蝕速率10 mdd[mg/(dm2·d)]。

4.5　應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕按照ASTM G36—94《金屬及合金在沸騰氯化鎂溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)方法》[10]進(jìn)行試驗(yàn)，1#，2#受力試樣如圖10所示。試驗(yàn)溫度恒定在155±1 ℃，沸騰狀態(tài)下浸漬24 h后，經(jīng)用紅色有機(jī)滲透液進(jìn)行液體滲透檢測(cè)，沒有觀察到試樣表面出現(xiàn)裂紋。

(a)1#試樣(b)2#試樣

圖10雙相不銹鋼應(yīng)力腐蝕照片

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)S31803蛇形管成型的關(guān)鍵工藝和制作方案進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并提出一些要求，通過(guò)對(duì)模擬試驗(yàn)件成型后進(jìn)行的外觀尺寸檢查、無(wú)損檢測(cè)和取樣分析檢測(cè)和試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件要求，驗(yàn)證了蛇管成型方案的可行性，為今后制造類似的蛇形管成型提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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Manufacturing Technology of Double Stainless Steel Snake Tube

in Liquid Benzene Sampling Heat Exchanger

LIU Ying-dong,LI Hui-yan,JIANG Dian-jun,WANG Cheng-wei

(MHPS Dalian Electricity Equipment Co.,Ltd.,Dalian 116032,China)

Abstract:The manufacturing process to snake tube of sampling heat exchanger of liquid benzene in one petrochemical plant′ described.Through the design and fabricate forming mould of snake tube and trial-manufacture specimen,the detail descriptions and requirements to snake tube sharping procedure of duplex stainless steel were put forward.Also the scheme′s practicability was confirmed according to inspections and tests and lays the foundation for mass production in future was layed.

Key words:sampling heat exchanger;snake tube;duplex stainless steel;manufacture process;inspection

作者簡(jiǎn)介：劉英東(1984-)，男，工程師，主要從事壓力容器制造工藝及技術(shù)管理工作，

通信地址：116032遼寧省大連市甘井子區(qū)海北路2號(hào)大連菱日電力設(shè)備有限公司，E-mail:dongdong.3096@163.com。

收稿日期：2015-09-20修稿日期：2015-10-20

doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2015.12.011

中圖分類號(hào)：TH49;TQ050.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1001-4837(2015)12-0066-06