孟 靜 趙新愛 吳勝敏 楊 博

(石家莊工大化工設(shè)備有限公司)

U型換熱管的彎制工藝研究

孟 靜＊趙新愛 吳勝敏 楊 博

(石家莊工大化工設(shè)備有限公司)

由于U型管在彎制過(guò)程中容易產(chǎn)生圓度偏差、殘余應(yīng)力、預(yù)損傷以及彎管外弧側(cè)壁厚減薄、內(nèi)弧增厚等現(xiàn)象,會(huì)影響彎管的使用壽命,RCC-M標(biāo)準(zhǔn)要求當(dāng)變形量超過(guò) 10%時(shí),應(yīng)做成形工藝評(píng)定。通過(guò)彎管工藝評(píng)定來(lái)驗(yàn)證彎管工藝的正確性,為彎制U型管提供數(shù)

據(jù)支持。

冷彎管 變形控制 應(yīng)力腐蝕 晶粒度

0 前言

U型換熱器是在石油化工生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的典型工藝設(shè)備,隨著石油化工裝置的大型化和火電、核電技術(shù)的發(fā)展,U型換熱器以其換熱性能好、傳熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)得到更廣泛應(yīng)用。但是,由于 U型管在彎制過(guò)程中容易產(chǎn)生橢圓度、殘余應(yīng)力、預(yù)損傷以及彎管外弧側(cè)壁厚減薄、內(nèi)弧增厚等現(xiàn)象,會(huì)影響到彎管的使用壽命,因此 RCC-M標(biāo)準(zhǔn)要求當(dāng)變形量超過(guò) 10%時(shí),應(yīng)做成形工藝評(píng)定。本文擬通過(guò)彎管工藝評(píng)定來(lái)驗(yàn)證彎管工藝的正確性,為彎制U型管提供數(shù)據(jù)支持。

1 彎管材料的選定

彎管工藝評(píng)定的材料采用與制造設(shè)備相同的材料。根據(jù)要制作的余熱排出熱交換器的模擬件。工藝評(píng)定的材料定為 00Cr19Ni10,規(guī)格為?16×1,彎曲半徑選用模擬件產(chǎn)品最小的彎曲半徑為 48 mm。材料的化學(xué)成分見表 1,力學(xué)性能見表 2。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%)

表2 力學(xué)性能

2 工藝方案制定

彎管工藝評(píng)定的目的:一是為證明所采用的成形工藝是否滿足尺寸公差的要求,二是證明消應(yīng)熱處理工藝是否滿足材料性能要求。因此我們圍繞這兩個(gè)目的制定彎管工藝方案。2.1 冷彎工藝的確定

RCC-M標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定尺寸公差包括 3部分內(nèi)容:

(1)彎管后管子彎曲部分的壁厚變化量為±0.1 mm;

(2)管子彎曲部分的允許最大圓度偏差為 7%;

(3)管子彎管段與直管段間的過(guò)渡區(qū)測(cè)得的距離偏差應(yīng)不超過(guò) ±1.5 mm。

彎管工藝過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的彈性、塑性變形過(guò)程,其變形程度除與材料本身性能有關(guān)外,還與彎管機(jī)施加在管子上的外載荷大小有關(guān)。變形程度大小常用圓度表示,圓度偏差越大,變形程度就越大,管壁外層的減薄量也越大,因此應(yīng)盡可能地控制圓度誤差。圓度計(jì)算為:

式中 D——管子的名義外徑,mm;

Dmax、Dmin——在管子同一橫截面的任意方向測(cè)得的兩個(gè)極限尺寸,mm。

采用的彎管機(jī)為W27YPC-76電腦液壓彎管機(jī),如圖 1所示。夾緊塊固定在轉(zhuǎn)臂上,同時(shí)夾緊

圖1 液壓彎管機(jī)

管子。當(dāng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)時(shí),管子便纏繞在彎管模的周圍?？磕Ｉ显O(shè)有能使管子產(chǎn)生預(yù)變形的曲線槽,通過(guò)外力,使通過(guò)靠模的管子在未彎曲時(shí)產(chǎn)生預(yù)變形,來(lái)抵消管子彎曲后彎管截面的圓度偏差。預(yù)變形的大小與外力的大小有關(guān),外力的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)彎管模與靠模的間距δ來(lái)控制,如圖 2所示。

圖2 調(diào)節(jié)彎管模與靠模的間矩

經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)證明,如果間隙調(diào)整不正確,易出現(xiàn)管子外壁裂紋、內(nèi)管壁起皺和圓度超差等現(xiàn)象。在反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,此間隙定為 1 mm。

2.2 管子冷彎后熱處理的確定

RCC-M標(biāo)準(zhǔn)要求,管子在冷彎后需取樣進(jìn)行沸騰MgCl2應(yīng)力腐蝕試驗(yàn),若無(wú)裂紋產(chǎn)生則合格,否則需要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。按照與上述 2 .1節(jié)相同的彎管工藝彎制了 5根 U 型管,分別做了兩組試驗(yàn):一組不進(jìn)行熱處理,一組進(jìn)行 4 00℃的消應(yīng)處理。然后取樣同時(shí)做沸騰氯化鎂應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。結(jié)果證明:在未經(jīng)熱處理的試樣上,尤其是 U型管彎曲部位外側(cè)出現(xiàn)了明顯的細(xì)小裂紋,裂紋方向?yàn)榄h(huán)向,與彎管拉伸應(yīng)力方向一致,而經(jīng)熱處理的試樣上未見明顯的裂紋,但經(jīng)硬度測(cè)試,與原材料稍有差別。兩個(gè)試樣三個(gè)部位的硬度 ( HB)對(duì)比見表 3 。

表3 試樣硬度對(duì)比

由表 3可見,U型管在冷彎成形后,雖然進(jìn)行了 400℃的消應(yīng)力熱處理,但不充分,沒(méi)有達(dá)到目的,合理的消應(yīng)處理溫度應(yīng)該是在 900℃以上。

2.3 U型管的回彈

管子的回彈也是一個(gè)不能忽視的問(wèn)題。管子回彈后,實(shí)際的彎曲半徑增大,造成穿管困難,甚至無(wú)法穿管。因此,既能補(bǔ)充回彈量,又不至于引起外管壁減薄,彎管角度應(yīng)控制在 180°±3°～5°的范圍內(nèi)。

圖3 直徑測(cè)量點(diǎn)位置

圖4 壁厚測(cè)量點(diǎn)位置

3 U型管彎制工藝試驗(yàn)

彎管試驗(yàn)前對(duì)管材進(jìn)行了嚴(yán)格的檢驗(yàn),鋼管內(nèi)外表面完好無(wú)損,無(wú)劃痕、碰傷和其他有害缺陷,鋼管表面清潔,無(wú)氧化物且粗糙度不超過(guò) 3.2μm,鋼管壁厚的尺寸公差在 1±0.1mm的范圍內(nèi),經(jīng)材料復(fù)驗(yàn)其化學(xué)成分和力學(xué)性能都符合表 1和表 2的規(guī)定。

3.1 尺寸公差試驗(yàn)

用生產(chǎn)用的彎管機(jī)按本文 2.1節(jié)所述工藝彎制了 5個(gè)最小彎曲半徑 R 48的彎管,并測(cè)量了 5個(gè)彎管的直徑、壁厚與間距,直徑測(cè)量點(diǎn)位置如圖 3所示,壁厚測(cè)量點(diǎn)位置如圖4所示 ,每個(gè)點(diǎn)間隔30°排列,每個(gè)直徑測(cè)量點(diǎn)測(cè)量?jī)纱怪狈较蛑睆剿?1和豎直?2,壁厚測(cè)量點(diǎn)拱背外側(cè)δ1、拱背內(nèi)側(cè)δ2。測(cè)量數(shù)據(jù)見表 4。

表4 ?16×1mm的 U型管直徑、壁厚、間距數(shù)據(jù) (共測(cè)量 5根鋼管)

由表 4可以看出,橢圓度最大 4.9%,最小4.4%,符合橢圓度 <7%的要求;壁厚最厚 1.07 mm,最薄 0.94 mm,符合 RCC-M壁厚 1±0.1 mm的要求;間距最大 1.2 mm,符合過(guò)渡區(qū)距離偏差不超過(guò) ±1.5 mm的要求。

3.2 MgCl2應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

分別在 5支鋼管直管、變形區(qū)、過(guò)渡區(qū)分別切取長(zhǎng) 60 mm的管段,管段兩端用線切割機(jī)各切除 5 mm,中間 50 mm管段作為應(yīng)力腐蝕試樣。

將試樣放于沸點(diǎn)穩(wěn)定在 155℃的MgCl2溶液中浸泡 24 h,然后將試樣沖洗干凈放在體積比 50%的商業(yè)級(jí)鹽酸中浸泡 16 h,取出后用蒸餾水仔細(xì)漂洗并徹底吹干,做液體滲透檢驗(yàn)。在 20倍的放大鏡下觀察,試樣表面無(wú)裂紋,符合 RCC-M(試樣表面沒(méi)有裂紋,表面其殘余應(yīng)力水平低于 100±20 MPa)要求,?16×1 MgCl2試驗(yàn)合格。

3.3 晶粒度檢驗(yàn)

在 5支鋼管變形區(qū)切取 50 mm的管段,通過(guò)線切割將其切割成寬為 15～20 mm的試樣。試樣拋光后,在 10%的草酸溶液中采用電壓 6 V電解60 s,然后在 100倍顯微鏡下與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)片進(jìn)行比較,檢查結(jié)果見表 5。

表5表明,晶粒度檢驗(yàn)試驗(yàn) 5支鋼管均符合RCC-M≥2級(jí)的要求。

表5 晶粒度檢驗(yàn)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)?16×1彎管的試驗(yàn)、驗(yàn)證,其檢測(cè)結(jié)果均能滿足 RCC-M標(biāo)準(zhǔn)的要求。上述彎制工藝、彎管設(shè)備、檢查設(shè)備都能有效地保證彎管質(zhì)量,按此工藝可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。

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＊孟靜,女,1969年生,工程師。石家莊市,050031。

2009-12-01)