用于換熱器管板的SA350 LF2與SA765 Gr.2材料對比

李 瑋

用于換熱器管板的SA350 LF2與SA765 Gr.2材料對比

李 瑋

（中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 211100）

根據(jù)ASMEⅡA篇的規(guī)定和實際工程應(yīng)用，SA350 LF2和SA765 Gr.2鍛件材料均可以用于制造的換熱器管板，通過比較兩種材料在適用范圍、化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)、力學(xué)性能試驗要求等方面的差異，指出SA350 LF2適用于工作壓力不高的中小型換熱器管板材料，而SA765 Gr.2多用于工作壓力較高、環(huán)境苛刻的大中型換熱器管板材料。

ASME；管板材料；化學(xué)成分；力學(xué)性能試驗

管殼式換熱器，由于具有適應(yīng)高溫高壓、工作可靠、處理量大、選材范圍廣、制造簡單、生產(chǎn)成本低、清洗檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，在石化、石油、能源等行業(yè)中一直處于主導(dǎo)地位。而管板是管殼式換熱器的重要受壓元件，其制造成本有時可占據(jù)整個換熱器成本的30%甚至更高，因此正確合理地設(shè)計管板具有非常重要的意義。

由于管板不僅要承受類似圓平板的軸向均布載荷，還要承受換熱管孔的削弱作用，對于兼做法蘭的換熱器管板，還要承受周向均布螺栓彎矩帶來的彎曲應(yīng)力。因此，管板從總體上看，可以按照平板理論分析，但實際上遠(yuǎn)比受均布載荷的圓平板要復(fù)雜得多。這就給管板在材料選擇方面提出了更嚴(yán)苛的要求，它不僅與管殼程的設(shè)計溫度、設(shè)計壓力有關(guān)，還與管殼程介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。

在實際工程應(yīng)用中，SA350 LF2與SA 765 Gr.2鋼鍛件都是換熱器管板的常用材質(zhì)。本文將從以下幾個方面探討碳鋼與低合金鋼鍛件SA350 LF2與SA 765 Gr.2在換熱器管板選擇中的應(yīng)用。

1 適用范圍

ASMEⅡA 已經(jīng)規(guī)定了兩種材料的適用范圍，其中SA765一章在適用范圍方面指明了可以用于管板、鍛制管箱、平蓋封頭、鍛件管及其法蘭，而SA350則明確適用于鍛制配件、法蘭以及閥門。盡管如此，在實際工程項目中，SA765與SA350均有換熱器管板的成功使用經(jīng)驗，相對標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍有所擴(kuò)大。

兩種材料在適用范圍方面的另一個區(qū)別在于，SA765須材料強(qiáng)制熱處理以達(dá)到韌性要求，而SA350沒有對熱處理的強(qiáng)制要求，但明確可用于低溫環(huán)境。

2 化學(xué)成分

材料的化學(xué)組成是決定材料力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、焊接性能、耐腐蝕性能的主要因素，SA350 LF2與SA 765 Gr.2都屬于低合金鋼鍛件，不同合金元素對其性能影響也有差異，表1列出了低合金鋼主要合金元素對材料性能的影響。

表1 不同合金元素對材料性能的影響

根據(jù)ASMEⅡA提供的數(shù)據(jù)，比較SA350 LF2與SA 765 Gr.2的成分，見表2。從表2中不難看出，二者在碳、錳、硅元素方面相差無幾，最主要的區(qū)別在于硫、磷等有害元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上，SA 765 Gr.2明顯低于SA350 LF2，因此在實際應(yīng)用中可以表現(xiàn)出更好的焊接性能、防止低溫脆斷及熱加工裂紋的性能。

表2 不同合金元素對材料性能的影響

3 熱處理狀態(tài)

SA350 LF2與SA765 Gr.2在ASME不同章節(jié)給出了材料使用熱處理狀態(tài)，用戶可以根據(jù)需要選擇正火加回火、二次正火加回火、淬火加回火等不同熱處理狀態(tài)的材料，其中二次回火的奧氏體化溫度應(yīng)不超過一次正火，回火溫度為590 ℃。

不同之處在于SA765 Gr.2額外給出了臨界區(qū)熱處理狀態(tài)，臨界區(qū)熱處理主要用于大型設(shè)備的主要承載部件，可以有效提高材料的綜合力學(xué)性能，對于鍛造過熱和正火過程非常容易出現(xiàn)混晶材料，有非常明顯的改善作用，同時可以細(xì)化晶粒尺寸。

4 力學(xué)性能試驗

對于SA765 Gr.2鍛件材料，ASME規(guī)范提出了拉伸試驗要求和低溫沖擊試驗要求。拉伸試驗對材料的抗拉強(qiáng)度（70~95 MPa）、屈服強(qiáng)度（250 MPa）、斷后伸長率（22%）和截面收縮率（30%）提出了明確要求。對于沖擊試驗，標(biāo)準(zhǔn)明確要求采用夏比V形缺口沖擊試驗，規(guī)定了沖擊試驗溫度（-46 ℃）、單個試樣最小吸收能量指標(biāo)（16 J）以及3個試樣的平均吸收能量指標(biāo)（20 J）。此外對于取樣數(shù)量和取樣位置也做出了規(guī)定。SA765 Gr.2的拉伸試驗與低溫沖擊試驗根據(jù)鍛件厚度和重量采用了4種不同的取樣方法（見表3），并在補(bǔ)充要求中提出了模擬后續(xù)制造過程中的焊后熱處理，筆者認(rèn)為這一補(bǔ)充要求對于設(shè)備的特殊部件和結(jié)構(gòu)更有針對性，可以避免設(shè)備在后續(xù)加工制造過程中出現(xiàn)材料缺陷，加工質(zhì)量得到了有效保證。

對于SA350 LF2鍛件材料，ASME規(guī)范在拉伸試驗和低溫沖擊試驗的要求方面，同樣提出了相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)，且在數(shù)值上與SA765 Gr.2完全一致，主要區(qū)別在于SA350 LF2鍛件試樣按照試樣尺寸有6種方法（見表3），由此不難看出SA765 Gr.2在鍛件適用的厚度范圍要比SA350 LF2更廣。SA350 LF2也并未在補(bǔ)充要求中提出關(guān)于模擬后處理的要求，但其額外增加了硬度試驗，要求對每批至少2個鍛件（當(dāng)僅生產(chǎn)1個鍛件時除外）進(jìn)行硬度測試，要求硬度值不大于197 HB，需要指出的是硬度試驗無需取樣，直接在產(chǎn)品上測試，但硬度測試須要保證不會使鍛件失效。

SA350 LF2鍛件材料允許采用小尺寸試樣進(jìn)行試驗，為了修正小尺寸試樣相對于標(biāo)準(zhǔn)試樣的差值，規(guī)定了更小的試驗溫度和相應(yīng)的最小吸收能量指標(biāo)。筆者認(rèn)為這一要求使得機(jī)械試驗具有更強(qiáng)的可操作性，能夠適應(yīng)小尺寸部件的試驗需求。

表3 SA350 LF2和SA765 Gr.2取樣方法對比

5 結(jié) 論

綜上所述，對于公稱直徑較大、介質(zhì)腐蝕性較高、壓力較高的換熱器，管板厚度往往超過100 mm，管板內(nèi)部容易出現(xiàn)缺陷，而SA765 Gr.2鍛件材料要求晶粒度不大于5，從化學(xué)成分上考慮具有更好的低溫防脆斷能力和高溫加工性能，可以有效保證換熱器管板的強(qiáng)度、剛度和良好的焊接要求。因此許多國外大型煉廠會在工程規(guī)定中強(qiáng)制要求換熱器管板應(yīng)采用SA765 Gr.2，也從側(cè)面說明了SA765 Gr.2相比SA350 LF2在應(yīng)用于換熱器管板時具有更佳的性能。而SA350 LF2可以用于一般場合，更適合應(yīng)用于碳鋼和不銹鋼接管及法蘭鍛件材料。

[1] SA350/SA350M.Specification for carbon and low-alloy steel forgings, requiring notch toughness testing for piping components [S]. ASME BPVCⅡA. 2017.

[2] SA765/SA765M.Specification for carbon steel and low-alloy steel pressure-vessel-component forgings with mandatory toughness requirements [S]. ASME BPVCⅡA. 2017.

[3] 丁伯民. ASMEⅧ 壓力容器規(guī)范分析 [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[4] 王國璋. 壓力容器設(shè)計實用手冊 [M]. 北京：中國石化出版社. 2013.4.

[5] 張建亮，張永振，彭艷，等. 大型筒節(jié)臺階式臨界區(qū)正火熱處理工藝 [J]. 2015（8）：65-70 .

Comparison of SA350 LF2 and SA765 Gr.2 Materials for Heat Exchanger Tube Sheet

（Sinopec Nanjing Engineering & Construction Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211100, China）

According to ASME Ⅱ part A and practical engineering application, SA350 LF2 and SA765 Gr.2 forging materials can be used to manufacture tube sheet of heat exchanger. By comparing the differences between the two materials in application scope, chemical composition, heat treatment state, mechanical property test requirements, etc., it was pointed out that SA350 LF2 is suitable for tube sheet of medium and small sized heat exchanger with low working pressure, while SA765 Gr.2 is mainly used in large and medium-sized heat exchanger tube sheet materials with high working pressure and harsh environment.

ASME; Tube sheet material; Chemical composition; Mechanical property test

2020-04-20

李瑋（1987-），男，工程師，碩士，陜西省延安市人，2012年畢業(yè)于北京化工大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，研究方向：壓力容器設(shè)計。

TQ050.4+1

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1004-0935（2020）09-1105-03