15CrMo鋼換熱器焊后分步局部熱處理工藝

孫剛

大慶油田工程建設有限公司建材公司

在石油、化工、煤化工、重型機械等行業(yè)中，由于介質操作溫度的原因，殼程及管程均為CrMo耐熱鋼的固定管板式換熱器被廣泛使用，并成為這些行業(yè)的關鍵設備[1]。根據(jù)CrMo 鋼材料的焊接特性，在焊接前需進行預熱，焊接過程中控制層間溫度，焊接完成后進行焊后消除應力熱處理[2-3]。由于殼程筒體與換熱管的熱膨脹系數(shù)存在很大的差異，并且受結構的限制，在整體熱處理過程中很容易引起換熱管與管板的焊縫開裂[4]。國內對固定管板式換熱器進行整體熱處理并成功的先例也很少[5]。根據(jù)多年的熱處理經驗，在查閱大量相關資料的基礎上，通過試驗制訂了殼程筒體及管板單獨爐內熱處理、換熱管與管板焊縫進行分步局部熱處理的加工工藝。嚴格執(zhí)行相關的制造工藝后，在熱處理后的壓力試驗過程中沒有發(fā)現(xiàn)換熱管與管板的焊縫發(fā)生開裂泄漏，極大地保證了產品質量，同時為制造該類換熱器積累了經驗，提高了同類產品的市場競爭力，在國內處于領先水平。

1 容器概況

某油田天然氣制氫綜合改造工程預制的脫硫原料預熱器，為固定管板式結構（圖1）。

圖1 脫硫原料預熱器結構Fig.1 Structure of desulfurizing raw material preheater

管程的工作介質為脫硫原料（易爆，中度毒性危害），工作溫度為124/380 ℃，液壓試驗壓力為5.54 MPa；殼程的工作介質為中溫變換氣（易爆，中度毒性危害），工作溫度為400/333 ℃，液壓試驗壓力為4.29 MPa。根據(jù)工作溫度及工作介質等情況，選定的設備主要材質：換熱管為15CrMo（使用狀態(tài)為正火+回火，符合GB/T 9948—2013《石油裂化用無縫鋼管》、NB/T 47019—2011《鍋爐熱交換器用管訂貨技術條件》）；殼程及管程筒體板材為15CrMoR（使用狀態(tài)為正火+回火，符合GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》）；管板及鍛件接管為15CrMo Ⅲ（使用狀態(tài)為正火+回火，符合標準NB/T 47008—2017《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》）。換熱管與管板采用強度焊加貼脹，管板與殼程筒體采用對接式角焊縫連接，要求進行焊后消除應力熱處理。

2 預制難點

普通固定管板式換熱器的制作技術比較成熟，也積累了較為豐富的經驗。該換熱器制作的難點在于殼程及管程均為15CrMo 材料。15CrMo 鋼具有很大的淬硬性，還具有冷裂紋和再熱裂的趨向，焊接性較差，焊接時應力比較集中，焊后必須進行消除應力處理[6]。當管束整體焊接完成后，由于結構的限制，換熱管長度方向上得到了很大的剛性固定[7]。此時進行整體熱處理，因為殼程筒體、管板及換熱管的熱膨脹系數(shù)存在很大的差異，在加熱及冷卻過程中很容易引起換熱管與管板的焊縫開裂[8]。因此，如何調整殼程筒體、管板、換熱管三者之間的組裝、焊接、熱處理先后順序及熱處理方案的確定是該換熱器能否成功預制的關鍵。

3 熱處理工藝制定

查閱換熱器預制的相關資料，基本上沒有關于固定管板式換熱器進行整體焊后熱處理的成功經驗介紹。根據(jù)脫硫原料預熱器的結構及自身材料特點，進行焊后整體消除應力熱處理的可能性不大，只能進行焊后局部消除應力熱處理。結合多年的換熱器制造及容器熱處理的經驗，制定了如下的加工工藝：殼程筒體組焊—殼程筒體與帶拉桿側管板組焊—殼程筒體與無拉桿側管板組焊—殼程筒體與管板爐內熱處理—帶拉桿側管板與換熱管組焊—帶拉桿側管板與換熱管局部熱處理—無拉桿側管板與換熱管組焊—無拉桿側管板與換熱管局部熱處理。制定的熱處理工藝參數(shù)見表1。

表1 熱處理工藝參數(shù)Tab.1 Heat treatment process parameters

4 熱處理實施及效果

4.1 殼程筒體與管板爐

按如下工序進行殼程筒體及管板的組焊及熱處理：

殼程筒體及接管等附件組焊—帶拉桿側管板與折流板的組裝—穿換熱管—帶拉桿側管板（含換熱管）與殼程筒體的組焊—殼程筒體與無拉桿管板的組焊—換熱管的調整—帶拉桿側管板與殼程筒體的組焊—無拉桿側管板與殼程筒體的組焊—爐內消除應力熱處理。

熱處理記錄曲線及數(shù)據(jù)見圖2及表2。

表2 殼程筒體及管板焊后消除應力熱處理溫度-時間數(shù)據(jù)Tab.2 Temperature-time data of post-welding stress relief heat treatment for shell pass cylinder and tube sheet

圖2 殼程筒體及管板焊后消除應力熱處理記錄曲線Fig.2 Record curve of post-welding stress relief heat treatment for shell pass cylinder and tube sheet

熱處理曲線顯示滿足工藝要求，并且熱處理后按規(guī)定要求對殼程筒體的A、B 類焊縫進行了硬度檢測，檢測結果最大值為HB169，小于HB200的規(guī)范要求。同時在后續(xù)的殼程水壓試驗中，也沒有發(fā)現(xiàn)該部分存在泄漏問題。

4.2 管板與換熱管

按如下工序進行換熱管與管板的組焊及熱處理：

帶拉桿側換熱管頭及管板孔的二次清理—無拉桿側換熱管頭及管板孔的二次清理—換熱管的調整—帶拉桿側換熱管與管板的組焊—局部焊后消除應力熱處理—無拉桿側換熱管與管板的組焊—局部焊后消除應力熱處理。

加工的難度在于換熱管與管板的局部熱處理。局部熱處理不可能在爐內進行，只能采用局部包覆的方式進行。在一個狹小的空間內如何達到工藝要求的均溫性很重要，因此前期進行了如何選擇正確加熱方式的試驗。第一次選用圓筒包覆管板、圓筒端部布滿加熱片的方式進行加熱，試驗結果表明：加熱過程中管板頂部的溫度比底部平均要高160～200 ℃。第二次選用圓筒包覆管板、圓筒端部采用上大下小斜面并布滿加熱片的方式進行加熱，試驗結果表明：加熱過程中管板頂部的溫度比底部平均要高120～160 ℃。此兩種方式均無法達到熱處理過程中工件均溫性的要求。第三次采用圓筒包覆管板、圓筒端部采用上小下大斜面下部布滿加熱片的方式進行加熱，試驗結果表明：加熱過程中管板頂部的溫度比底部平均要高20 ℃，證明此種方法可行。繼續(xù)進行試驗，筒體的結構不變，逐步調整加熱片的布置位置，最終確定了合理的加熱方案。換熱管與管板的局部熱處理具體包覆方式，見圖3～圖6。

圖3 換熱管與管板局部熱處理包覆筒體外觀Fig.3 Appearance of local heat treatment coated cylinder of heat exchanger tube and tube sheet

圖4 包覆筒體內加熱片布置Fig.4 Heating plate layout in the coated cylinder

圖5 熱處理時換熱管口的封堵Fig.5 Sealing of heat exchanger tube mouth during heat treatment

圖6 換熱管與管板局部熱處理Fig.6 Local heat treatment of heat exchanger tube and tube sheet

換熱管與管板局部焊后消除應力熱處理記錄曲線及數(shù)據(jù)見圖7及表3。

表3 換熱管與管板熱處理溫度-時間數(shù)據(jù)Tab.3 Temperature-time data of post-welding stress relief heat treatment for heat exchanger tube and tube sheet

圖7 換熱管與管板焊后消除應力熱處理記錄曲線Fig.7 Record curve of post-welding stress relief heat treatment for heat exchanger tube and tube sheet

局部熱處理完成后對換熱管與管板焊縫表面進行了滲透檢驗，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。在之后進行的水壓試驗中也未發(fā)現(xiàn)焊縫有滲漏現(xiàn)象。

5 結論

（1）15CrMo 鋼的淬硬性高，有較大的冷裂傾向，應嚴格控制預熱溫度及層間溫度，可有效防止冷裂紋。

（2）15CrMo 鋼具有再熱裂紋傾向，制定有效的焊后熱處理制度及措施可避免熱影響區(qū)再熱裂紋的產生[9]。

（3）15CrMo 鋼制換熱器在設計時應對制造過程中的焊接、熱處理、強度及致密性試驗、無損檢測提出詳細的技術要求，確保制作質量。

（4）對管程及殼程全部采用15CrMo 鋼的固定管板式換熱器，采用分布局部熱處理的方式可達到預期的焊后消除應力熱處理要求。

（5）對15CrMo 鋼制換熱管與管板的焊縫采用分布局部熱處理的加熱方式，既可滿足熱處理工件均溫性的要求，又可達到消除應力的目的。