15CrMo钢换热器焊后分步局部热处理工艺.pdf
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1、综合技术孙刚:15CrMo钢换热器焊后分步局部热处理工艺油气田地面工程 https:/15CrMo钢换热器焊后分步局部热处理工艺孙刚大庆油田工程建设有限公司建材公司摘要:15CrMo钢固定管板式换热器在预制过程中进行整体焊后热处理,很容易引起换热管与管板的焊缝开裂。为解决这一问题,在查阅相关资料并结合多年制造经验的基础上,经几次试验制订了分步局部热处理的工艺,在热处理后的无损检测及压力试验过程中均没有发现换热管与管板的焊缝发生泄漏,极大地保证了产品质量。试验结果表明,对管程及壳程全部采用 15CrMo钢的固定管板式换热器,并使用分步局部热处理的方式可达到预期的消除焊后应力的要求。对15CrMo
2、 钢制换热管与管板的焊缝采用分步局部加热方式,既可满足热处理工件均温性的要求,又可达到消除应力的目的,为制造该类换热器积累了经验,提高了同类产品的市场竞争力。关键词:15CrMo换热器;管板;换热管;局部热处理Post-welding Step-by-step Local Heat Treatment Process of 15CrMo Steel Heat ExchangerSUN GangBuilding Materials Company of Daqing Oilfield Engineering&Construction Co.,Ltd.Abstract:The 15CrMo ste
3、el fixed tube sheet heat exchanger undergoes overall post-welding heattreatment during the prefabrication process,which can easily cause cracking of the weld seam betweenthe heat exchanger tube and the tube sheet.In order to solve this problem,the process of step-by-steplocal heat treatment is devel
4、oped through several tests based on the relevant data and many years of man-ufacturing experience.In the process of non-destructive testing and pressure testing after heat treat-ment,there is no leakage of the weld seam between the heat exchanger tube and the tube sheet,whichgreatly ensures the qual
5、ity of the product.The test results show that for the fixed tube sheet heat ex-changer with 15CrMo steel for both tube pass and shell pass,the step-by-step local heat treatmentmethod can achieve the expected post-welding stress relief requirements.The weld seam of 15CrMosteel heat exchanger tube and
6、 tube sheet heated by step-by-step local heat treatment method can meetthe requirements of temperature uniformity of heat-treated workpieces,and also can achieve the pur-pose of stress relief.Keywords:15CrMo heat exchanger;tube sheet;heat exchanger tube;local heat treatment在石油、化工、煤化工、重型机械等行业中,由于介质操作
7、温度的原因,壳程及管程均为 CrMo耐热钢的固定管板式换热器被广泛使用,并成为这些行业的关键设备1。根据 CrMo 钢材料的焊接特性,在焊接前需进行预热,焊接过程中控制层间温度,焊接完成后进行焊后消除应力热处理2-3。由于壳程筒体与换热管的热膨胀系数存在很大的差异,并且受结构的限制,在整体热处理过程中很容易引起换热管与管板的焊缝开裂4。国内对固定管板式换热器进行整体热处理并成功的先例也很少5。根据多年的热处理经验,在查阅大量相关资料的基础上,通过试验制订了壳程筒体及管板单独炉内热处理、换热管与管板焊缝进行分步局部热处理的加工工艺。严格执行相关的制造工艺后,在热处理后的压力试验过程中没有发现换热
8、管与管板的焊缝发生开裂泄漏,极大地保证了产品质量,同时为制造该类换热器积累了经验,提高了同类产品的市场竞争力,在国内处于领先水平。DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2023.08.01158第 42卷第 08期(2023-08)油气田地面工程 https:/综合技术1容器概况某油田天然气制氢综合改造工程预制的脱硫原料预热器,为固定管板式结构(图 1)。管程的工作介质为脱硫原料(易爆,中度毒性危害),工作温度为 124/380,液压试验压力为5.54 MPa;壳程的工作介质为中温变换气(易爆,中度毒性危害),工作温度为 400/333,液压试验压力为 4.29 MPa。根
9、据工作温度及工作介质等情况,选定的设备主要材质:换热管为 15CrMo(使用状态为正火+回火,符合 GB/T 99482013石油裂化用无缝钢管、NB/T 470192011 锅炉热交换器用管订货技术条件);壳程及管程筒体板材为 15CrMoR(使 用 状 态 为 正 火+回 火,符 合GB/T7132014锅炉和压力容器用钢板);管板及锻件接管为 15CrMo (使用状态为正火+回火,符合标准 NB/T 470082017承压设备用碳素钢和合金钢锻件)。换热管与管板采用强度焊加贴胀,管板与壳程筒体采用对接式角焊缝连接,要求进行焊后消除应力热处理。2预制难点普通固定管板式换热器的制作技术比较成
10、熟,也积累了较为丰富的经验。该换热器制作的难点在于壳程及管程均为 15CrMo材料。15CrMo钢具有很大的淬硬性,还具有冷裂纹和再热裂的趋向,焊接性较差,焊接时应力比较集中,焊后必须进行消除应力处理6。当管束整体焊接完成后,由于结构的限制,换热管长度方向上得到了很大的刚性固定7。此时进行整体热处理,因为壳程筒体、管板及换热管的热膨胀系数存在很大的差异,在加热及冷却过程中很容易引起换热管与管板的焊缝开裂8。因此,如何调整壳程筒体、管板、换热管三者之间的组装、焊接、热处理先后顺序及热处理方案的确定是该换热器能否成功预制的关键。3热处理工艺制定查阅换热器预制的相关资料,基本上没有关于固定管板式换热
11、器进行整体焊后热处理的成功经验介绍。根据脱硫原料预热器的结构及自身材料特点,进行焊后整体消除应力热处理的可能性不大,只能进行焊后局部消除应力热处理。结合多年的换热器制造及容器热处理的经验,制定了如下的加工工艺:壳程筒体组焊壳程筒体与带拉杆侧管板组焊壳程筒体与无拉杆侧管板组焊壳程筒体与管板炉内热处理带拉杆侧管板与换热管组焊带拉杆侧管板与换热管局部热处理无拉杆侧管板与换热管组焊无拉杆侧管板与换热管局部热处理。制定的热处理工艺参数见表 1。4热处理实施及效果4.1壳程筒体与管板炉按如下工序进行壳程筒体及管板的组焊及热处理:壳程筒体及接管等附件组焊带拉杆侧管板与折流板的组装穿换热管带拉杆侧管板(含换热
12、图 1脱硫原料预热器结构Fig.1 Structure of desulfurizing raw material preheater表 1热处理工艺参数Tab.1 Heat treatment process parameters项目壳程筒体及管板管板与换热管焊缝入炉温度/300300升温速度/(h-1)220220保温温度/6701067010保温时间/min4515冷却速度/(h-1)280280加热方式电加热电加热注:升温期间,加热区内任意长度为 4 600 mm内的温差140;保温期间,加热区内最高与最低温度之差80。59综合技术孙刚:15CrMo钢换热器焊后分步局部热处理工艺油气田
13、地面工程 https:/管)与壳程筒体的组焊壳程筒体与无拉杆管板的组焊换热管的调整带拉杆侧管板与壳程筒体的组焊无拉杆侧管板与壳程筒体的组焊炉内消除应力热处理。热处理记录曲线及数据见图 2及表 2。图 2壳程筒体及管板焊后消除应力热处理记录曲线Fig.2 Record curve of post-welding stress relief heat treatmentfor shell pass cylinder and tube sheet表2壳程筒体及管板焊后消除应力热处理温度-时间数据Tab.2 Temperature-time data of post-welding stress re
14、lief heattreatment for shell pass cylinder and tube sheet项目要求升温速度:220/h保温温度:67010 保温时间:45 min冷却速度:280/h升温期间,加热区内 4 600 mm内的温差140 保温期间,加热区内最高与最低温度之差40 实测值148/h675 60 min105/h20 15 热处理曲线显示满足工艺要求,并且热处理后按规定要求对壳程筒体的 A、B 类焊缝进行了硬度检测,检测结果最大值为 HB169,小于 HB200的规范要求。同时在后续的壳程水压试验中,也没有发现该部分存在泄漏问题。4.2管板与换热管按 如 下 工
15、 序 进 行 换 热 管 与 管 板 的 组 焊 及 热处理:带拉杆侧换热管头及管板孔的二次清理无拉杆侧换热管头及管板孔的二次清理换热管的调整带拉杆侧换热管与管板的组焊局部焊后消除应力热处理无拉杆侧换热管与管板的组焊局部焊后消除应力热处理。加工的难度在于换热管与管板的局部热处理。局部热处理不可能在炉内进行,只能采用局部包覆的方式进行。在一个狭小的空间内如何达到工艺要求的均温性很重要,因此前期进行了如何选择正确加热方式的试验。第一次选用圆筒包覆管板、圆筒端部布满加热片的方式进行加热,试验结果表明:加热过程中管板顶部的温度比底部平均要高 160200。第二次选用圆筒包覆管板、圆筒端部采用上大下小斜
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