江 克,史利冰

(1. 巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230031; 2. 合肥通用機(jī)械研究院特種設(shè)備檢驗(yàn)站有限公司,安徽 合肥 230031)

Cr25Ni35Nb+MA離心鑄造管是乙烯裂解爐中的核心部件。由離心鑄造管及彎管組焊而成的輻射段管系為乙烯裂解工藝提供裂解化學(xué)反應(yīng)的空間。爐管最高壁溫可達(dá)到1 150 ℃,因此要求其必須具有耐高溫、抗氧化及耐滲碳性能。近年來,為順應(yīng)乙烯需求不斷增長的趨勢,國內(nèi)完成了自主裂解工藝設(shè)計(jì)研發(fā)【1】,由中石化SEI設(shè)計(jì)的CBL型裂解爐在大型化及原料靈活性方面優(yōu)勢顯著,單臺裂解爐加工能力可達(dá)到20萬t/a,且能夠根據(jù)市場變化情況下及時(shí)切換使用石腦油、乙烷和丙烷等氣、液原料進(jìn)行裂解反應(yīng),有效提高了裂解爐開工率及乙烯收率【2】。作為CBL型裂解爐的重要部件,U形管具有制造技術(shù)難度大的特點(diǎn),為保證設(shè)備長周期安全運(yùn)行,設(shè)計(jì)要求U形彎管必須采用離心鑄造爐管進(jìn)行制造。目前國內(nèi)外關(guān)于離心鑄造爐管澆鑄成形工藝的分析研究較多【3】,技術(shù)已成熟,但并未查到離心鑄造管的彎曲成形制造技術(shù)研究的文獻(xiàn)。因此,研究討論Cr25Ni35Nb+MA離心鑄造管U形彎曲的制造技術(shù),對提高裂解爐整體安全性十分重要。

為加強(qiáng)爐管換熱強(qiáng)度及抗?jié)B碳能力,離心鑄造爐管澆鑄后外表面呈現(xiàn)楊梅粒子顆粒狀態(tài),而內(nèi)表面為鏜孔后光滑狀態(tài),爐管外表面顆粒狀不適合使用輥彎模具進(jìn)行彎曲加工,其楊梅粒子顆粒與模具表面會產(chǎn)生相互破壞作用。此外還由于Cr25 Ni35Nb+MA在常溫下材料塑性延伸率僅12%左右【4】,冷彎容易出現(xiàn)斷裂,因此無法采用冷彎工藝制造U形管,而通過中頻感應(yīng)加熱進(jìn)行熱彎彎曲是最合適選擇。中頻感應(yīng)熱彎主要通過感應(yīng)線圈對管材進(jìn)行加熱,配合冷卻連續(xù)進(jìn)行彎曲制造,在大口徑厚壁管道彎曲中應(yīng)用較廣【5】。其優(yōu)點(diǎn)為不需要填充物、不采用模具就能夠很好地控制彎管截面形狀,在對截面橢圓度要求較高的彎曲中具有較大優(yōu)勢。

本文介紹了自動化中頻感應(yīng)熱彎機(jī)裝置對Cr25Ni35Nb+MA離心鑄造管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)彎制的情況。通過分析離心鑄造管材料性能,制定合理彎前熱處理工藝、推進(jìn)速率、加熱溫度與冷卻方式,研究U形管成型后壁厚減薄率、橢圓度及平面度變化規(guī)律,并采用無損檢測檢驗(yàn)彎管質(zhì)量。研究結(jié)論可為設(shè)計(jì)與制造U形管提供參考。

1 熱彎裝置

為提高彎曲成型性能及尺寸精度,采用全自動化中頻感應(yīng)熱彎機(jī)進(jìn)行U形彎曲。圖1為中頻感應(yīng)熱彎成形過程,其推進(jìn)系統(tǒng)采用伺服電機(jī)和絲桿控制,在推進(jìn)速度上可進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控;彎曲加熱部位通過紅外進(jìn)行加熱溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測,可避免超溫過燒情況發(fā)生。熱彎過程中絲桿驅(qū)動底座推進(jìn)爐管前進(jìn),前端主夾模加持爐管并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)引導(dǎo),在感應(yīng)線圈加熱區(qū)域,材料產(chǎn)生塑性變形而發(fā)生彎曲。考慮U形彎曲角度跨度較大、管直徑較小,為保證U形管成品水平度達(dá)標(biāo),設(shè)置輔助夾模增強(qiáng)中間部位的支撐。內(nèi)、外側(cè)導(dǎo)輥在彎曲過程中對爐管前進(jìn)軸向進(jìn)行定位,確保彎曲過程中不會因發(fā)生偏移而導(dǎo)致彎曲角度精度降低。

圖1 中頻感應(yīng)熱彎成形過程

2 實(shí)驗(yàn)爐管性能

2.1 實(shí)驗(yàn)爐管的化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)用爐管選用Cr25Ni35Nb+MA離心鑄造管,外徑(D)φ65 mm,最小密實(shí)層厚度要求7 mm,爐管化學(xué)成分如表1所示。標(biāo)準(zhǔn)值按HG/T 2601—2011【6】規(guī)定執(zhí)行,微量元素添加Ti元素。由于Cr元素具有提高材料強(qiáng)度和降低塑性特性,因此用于彎曲離心爐管時(shí),其含量按趨于標(biāo)準(zhǔn)要求下限調(diào)配,而Ni元素可提高材料塑性與韌性,故在爐管澆鑄元素調(diào)配中按標(biāo)準(zhǔn)上限值設(shè)定。

表1 實(shí)驗(yàn)爐管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.2 實(shí)驗(yàn)爐管力學(xué)性能

Cr25Ni35Nb+MA爐管力學(xué)性能直接影響彎曲工藝設(shè)定。對用于彎曲的離心爐管取樣進(jìn)行常溫和高溫短時(shí)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。高溫短時(shí)實(shí)驗(yàn)溫度選擇800、900、1 000和1 100 ℃共4組,其力學(xué)性能結(jié)果如圖2所示。高溫短時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示隨著溫度的增高,爐管抗拉強(qiáng)度值降低明顯,延伸率提升同樣明顯。爐管材料常溫下抗拉強(qiáng)度較高,但延伸率較低,因此在常溫下進(jìn)行彎曲制造將容易發(fā)生斷裂情況。由圖2可見:溫度在1 100 ℃時(shí)延伸率最高,但抗拉強(qiáng)度較低,彎曲過程容易出現(xiàn)裂紋等問題;1 000 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度也較低,同樣容易出現(xiàn)裂紋問題;綜合抗拉強(qiáng)度與延伸率實(shí)驗(yàn)結(jié)果,彎曲加熱溫度可在800～1 000 ℃范圍內(nèi)選擇。

圖2 熱處理前、后高溫短時(shí)力學(xué)性能結(jié)果

3 熱彎工藝

3.1 彎前熱處理

由生產(chǎn)實(shí)際情況可知,若離心爐管彎曲前未進(jìn)行熱處理,彎曲后容易產(chǎn)生表面微裂紋缺陷。熱處理前、后離心爐管彎曲外側(cè)表面滲透檢測(PT)對比見圖3(a)和圖3(b)。由圖3(a)可見,未進(jìn)行熱處理的離心爐管,其彎曲外側(cè)表面出現(xiàn)了橫向微裂紋,裂紋最大深度為淺表0.1～0.4 mm。彎管外側(cè)是產(chǎn)生塑性變形最大部位,根據(jù)離心爐管沿厚度方向從外到內(nèi)晶體呈等軸晶與柱狀晶的分布規(guī)律可知,其產(chǎn)生微裂紋的主要原因?yàn)楦邷叵峦鈧?cè)區(qū)域組織塑性較低。對離心爐管彎曲制造前進(jìn)行950～1 050 ℃、保溫30 min,爐冷方式工藝熱處理后再彎曲成形,其彎管外側(cè)表面微裂紋消失,如圖3(b)所示。因此彎曲前對離心爐管進(jìn)行熱處理,可有效抑制高溫下外側(cè)表面彎曲微裂紋的產(chǎn)生。

圖3 熱處理前、后彎曲外側(cè)表面滲透檢測對比

3.2 加熱溫度及速度

根據(jù)Cr25Ni35Nb+MA爐管高溫力學(xué)性能變化規(guī)律可知,溫度過高會使材料抗拉強(qiáng)度降低,容易導(dǎo)致爐管出現(xiàn)彎曲斷裂問題,而溫度過低則會使材料延伸率變差,容易導(dǎo)致爐管產(chǎn)生彎曲裂紋。選擇感應(yīng)加熱局部溫度范圍為850～950 ℃、加熱寬度20 mm、推進(jìn)速度40～50 mm/min,在強(qiáng)風(fēng)冷卻方式下對爐管進(jìn)行U形彎曲實(shí)驗(yàn),彎曲半徑選擇設(shè)計(jì)要求的R=925 mm,彎曲率R/D=14.2。

4 彎曲成形尺寸

實(shí)測Cr25Ni35Nb+MA實(shí)驗(yàn)爐管規(guī)格,彎曲前均值為φ65.5 mm×7.45 mm。彎曲成形后,距離起彎界面10°、50°、70°、100°、130°和170°分別截取6個截面進(jìn)行外徑與壁厚檢測,每個截面均布選取4個外徑檢測點(diǎn)和8個壁厚檢測點(diǎn)。對應(yīng)的不同截面的壁厚分布規(guī)律如圖4所示。由圖4可見:180°點(diǎn)為彎管最外側(cè),壁厚減薄率最大,達(dá)到4.3%,最小壁厚7.13 mm,大于最小密實(shí)層7 mm要求;0°點(diǎn)出現(xiàn)壁厚增厚,最大增厚率4.7%;彎曲內(nèi)側(cè)(45°、315°)壁厚高于外側(cè)(135°、225°),符合鋼管彎曲外側(cè)拉伸變形及內(nèi)側(cè)壓縮變形規(guī)律。

圖4 不同截面壁厚分布規(guī)律

圖5為彎管不同截面外徑的分布規(guī)律。由圖5 可見,0°-180°與90°-270°垂直截面處外徑偏差較大,產(chǎn)生了一定的橢圓度,但最大橢圓度僅為2.8%,符合爐管橢圓度小于8%的設(shè)計(jì)要求。U形彎管整體平面度偏差范圍為2～4 mm,說明輔助夾模支撐能夠有效控制U形管成形后的平面度。上述數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示,U形管在6個截面的壁厚及外徑分布規(guī)律基本一致,截面變形及壁厚減薄規(guī)律與彎曲受力分析結(jié)果一致。

圖5 不同截面外徑分布規(guī)律

5 質(zhì)量檢驗(yàn)

5.1 無損檢測

對U形彎管成品進(jìn)行彎曲外表面及剖開內(nèi)表面滲透檢測,結(jié)果見圖6(a)和圖6(b),其中內(nèi)側(cè)表面為鏜孔機(jī)加工狀態(tài),外表面為離心鑄造楊梅粒子狀態(tài)。由圖6(a)可見,剖開后內(nèi)側(cè)表面彎曲部位無任何缺陷,滿足NB/T 47013.5—2015【7】標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量評定等級Ⅰ級合格的要求。圖6(b)所示的外表面也未見微裂紋缺陷存在,滿足GB/T 9443—2019【8】標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量評定等級“01”級合格的要求。檢測結(jié)果顯示,采用上述彎曲工藝制造的U形彎管,成品質(zhì)量檢驗(yàn)滿足要求。

圖6 內(nèi)外表面滲透檢測

5.2 微觀組織觀察

由于彎曲后彎管曲率及壁厚限制,無法取樣進(jìn)行力學(xué)性能研究,只能通過觀察彎曲后微觀組織為性能判斷提供參考。U形管彎曲前后微觀組織如圖7(a)～圖7(b)所示。由圖7(a)可見,彎曲前爐管晶粒呈現(xiàn)多邊形不規(guī)則形狀。經(jīng)過中頻加熱彎曲后,Cr25Ni35Nb+MA奧氏體晶界碳化物(白色箭頭標(biāo)記)依然保持清晰的骨架狀組織,U形管外側(cè)部位晶粒明顯有延伸拉長的變化,如圖7(b)所示,晶界碳化物寬度有細(xì)化趨勢,但并未發(fā)現(xiàn)晶界開裂情況。上述觀察結(jié)果與彎曲過程中外側(cè)受拉變形的受力分析結(jié)果一致,根據(jù)微觀組織結(jié)構(gòu)對比分析可知,在選定工藝參數(shù)下,熱彎彎曲后Cr25Ni35Nb+MA材料微觀組織符合質(zhì)量要求。

圖7 U形管彎曲前后微觀組織(400×)

5.3 工藝試驗(yàn)檢測

對彎曲成形U形管進(jìn)行通球?qū)嶒?yàn)與水壓實(shí)驗(yàn)檢測。通球試驗(yàn)選用不銹鋼通球,直徑為彎管內(nèi)徑的90%,通球直徑偏差為-0.2～+0.0 mm。不銹鋼通球試驗(yàn)過程未見跳動,通行順暢、無障礙,說明U形管內(nèi)壁橢圓度符合設(shè)計(jì)要求,無超標(biāo)變形發(fā)生。對U形管進(jìn)行水壓試驗(yàn),試驗(yàn)壓力為7.584 MPa,保壓時(shí)間30 min,試驗(yàn)用水氯離子含量小于25 mg/L。試驗(yàn)結(jié)果顯示無泄漏與變形情況發(fā)生。上述工藝試驗(yàn)檢測結(jié)果驗(yàn)證,在選定工藝下彎曲成形的U形管滿足要求。

6 結(jié)語

本文對Cr25Ni35Nb+MA離心鑄造爐管進(jìn)行力學(xué)性能分析,通過調(diào)整熱彎成形工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)彎制,結(jié)合成形質(zhì)量方案研究U形管制造技術(shù),得出如下結(jié)論:

1) 彎前熱處理能夠抑制彎曲外側(cè)微裂紋的產(chǎn)生,選擇熱彎加熱溫度范圍850～950 ℃、推進(jìn)速度范圍40～50 mm/min,并采用強(qiáng)風(fēng)冷卻工藝可提高彎曲合格率。

2) U形管壁厚最大減薄率4.3%,最大增厚率4.7%,最大橢圓度2.8%,水平度小于4 mm,其所對應(yīng)的彎曲工藝能夠制造出合理尺寸的彎管。

3) 彎管內(nèi)、外側(cè)表面滲透檢測結(jié)果顯示無裂紋,彎曲外側(cè)微觀組織有延伸,符合受力特征變化,通球檢測與水壓試驗(yàn)合格,檢驗(yàn)質(zhì)量滿足使用要求。