螺纹锁紧环换热器管箱筒体锻件的热处理

    　摘要：对螺纹锁紧环换热器管箱筒体厚壁筒形锻件夏比冲击试验不合格进行了分析,并提出整改 措施,体现了厚壁筒形锻件热处理工艺的重要性。

    　关键词：换热器;锻件;热处理;冷却速度;性能;检验

    　中图分类号：TE 966; TG 15　文献标志码: B

    　2005年,我公司为中国石油天然气股份有限公司制造了1台螺纹锁紧环换热器,型号为DFU 900 350-18·48/19-6·7/19-2I,其管程设计压力为 18.48 MPa,壳程设计压力19.0 MPa;管程设计温 度435℃,壳程设计温度410℃;管程介质为降凝反 应产物,壳程介质为混氢油,三类容器。设备主体材 质为2.25Cr-1Mo,净质量85.4 t。其中管箱筒体材 料为2.25Cr-1Mo锻件,热处理状态为正火+回火 (其金相组织基本上为贝氏体),规格(直径×壁厚× 长度)为Φ1 340 mm(外径)/Φ900 mm(内径)× 220 mm×2 560 mm。

    　管箱筒体锻件由意大利进口(包括锻后热处 理),锻件质量保证书中化学成分及力学性能均符合图样要求。根据《压力容器安全监察规程》第25条 规定[1],锻件回厂取样复验后发现室温拉伸性能及 -30℃夏比冲击试验指标不符合图样要求。随后 又对试样进行了金相检验,发现该锻件金相组织不 是贝氏体,而是含有大量铁素体(其原因是锻件正火 后冷却速度不够,没有获得所需的贝氏体组织)。意 大利供货方认可了此次的分析,并委托第三方(沈阳 重型机械厂)根据我公司提供的热处理工艺对该锻 件重新进行热处理。文中对此进行简单介绍,以供 同行借鉴。

    　1　管箱短节有关技术要求

    　设计图样中,对螺纹锁紧环换热器管箱短节所提出的化学成分要求见表1,力学性能见表2。锻件供货热处理状态要求:锻件热处理状态为正火+回火(金相组织基本上为贝氏体组织),最大焊后热处理状态为(690±14)℃×26+20h、最小焊后热处理状 态为(690±14)℃×6+20h。试样环模拟最大、最小焊后热处理,取样部位见图1。


                      

    　2　管箱短节进厂复验结果

   　 按相关技术要求该锻件进厂要求复验。按照图1的要求在管箱筒体锻件上取样坯A、样坯B共2个 试样环,并在这2个试样环上分别取1个拉力试样、 3个冲击试样,模拟锻件最大、最小焊后热处理状 态,其结果见表3。



    从表3中可知,复验结果表明锻件室温拉伸性 能偏低、-30℃冲击性能不合格。

   　 3　管箱短节不合格原因分析[1~5]

    　(1)取样位置　沿筒体壁厚方向不同位置取样,其性能会有所不同。靠近筒体外壁热处理时冷却速 度快,拉伸和冲击性能较高。因此,第2次又在筒体 1/2壁厚处取试样环,试样环按锻件最大、最小焊后 热处理工艺模拟焊后热处理,经检验后室温拉伸性 能、冲击性能仍不合格。由此说明,管箱筒体锻件室 温拉伸性能、-30℃冲击性能不合格不是取样位置 不同造成的。

    　(2)试样尺寸及粗糙度　试样加工尺寸和粗糙 度不符合标准要求也会造成性能不符。因此,对试 样尺寸和粗糙度,特别是冲击试样的V型缺口处均 进行了检验,其结果也都符合有关标准的要求。由 此说明此试样尺寸和粗糙度也不是造成锻件不合格 的原因。

    　(3)热处理工艺　热处理工艺制定的不正确将 直接影响锻件的组织和性能。热处理工艺中正火温 度必须考虑锻件出炉后入水前的温度下降,下降后 的温度必须大于形成奥氏体组织的温度(不小于 920℃),这是为了保证锻件彻底奥氏体化。随后进 行的回火热处理是为了获得贝氏体组织。供货厂家 提供的锻件质量保证书中的热处理工艺如下,正火 (960±10)℃×6 h、回火700℃×12 h。从理论上讲,此热处理工艺制定的加热温度和保温时间是正确的。

    　但对A、B试样做金相检验的结果显示,有大块状的铁素体组织产生(白色区域),只有少量贝氏体出现。而设计图样中要求金相组织中贝氏体占90%,说明该锻件正火后冷却速度不够,没有得到所需要的组织,不能满足力学性能要求。

    　正火后冷却速度不够原因分析如下。正火是将钢加热到奥氏体状态保温一段时间后然后空冷,但 奥氏体化温度冷却速度要受到钢材的厚度限制。该锻件壁厚为220 mm,正火后必须加速冷却,采取加 速冷却措施目的是获得马氏体组织,随后回火处理得到贝氏体组织。奥氏体在各种不同的温度范围内的稳定性是不同的,为了得到马氏体组织,在奥氏体最不稳定的区域,即C曲线的转变处应当快速冷 却,冷却速度应大于该临界冷却速度,使其不发生向珠光体类组织转变。但冷却速度过快,能引起较大的热应力易产生开裂,奥氏体冷却速度小于5℃/h, 将有先共析铁素体产生。因此,为防止产生先共析铁素体组织,应使奥氏体化后的冷却速度大于 5℃/h。为获得良好的材料性能,保证奥氏体化后的冷却速度是十分关键的。

    　4　措施

　　采取措施为管箱筒体锻件重新做正火加回火热处理,正火工艺为(960±10)℃×6 h水冷、回火720℃×12h空冷。

    　正火冷却时按下列要求执行。

    　(1)在筒体一端焊接一个热缓冲垫,缓冲垫厚度为筒体壁厚(图2),然后按上述工艺重新进行正火(水冷)加回火处理。

                     

   　 (2)冷却水槽中的水应有足够的水循环量,冷却 水温应控制在30~40℃。

    　(3)冷却时带有缓冲垫端筒体垂直于水面入水, 且筒体完全入水后在水中要不停的做上下移动,因 刚入水时在筒体表面产生很大的水蒸气,这种蒸汽 膜隔离了筒体与水的接触,会影响筒体的冷却速度, 做上下不停的移动目的是增加筒体表面水的流速, 增加冷却速度。在冷却过程中水温要控制在30~ 40℃。

   　 (4)回火720℃×12 h空冷。随后去除缓冲 垫,且在该筒体端面壁厚1/2处切取试样环,试样环 按锻件最大、最小模拟焊后热处理工艺进行模拟焊 后热处理,结果见表4。从表4中可以看出,此次处 理后锻件的力学性能完全符合技术要求。



    5　结语

　　2.25Cr-1Mo钢正火后是否加速冷却要根据工件壁厚而定,壁厚若较大必须采取加速冷却,才能获得所需的组织。重新经过热处理的高压管箱锻件对整个设备的安全提供了有力的保证。

参考文献:

[1]　JB 4726—2000,压力容器用碳素钢和低合金钢锻件[S].

[2]　GB/T 222—1984,钢的化学分析用试样取样法及成品化学成 分允许偏差[S].

[3]　GB/T 228—1987,金属拉伸试验方法[S].

[4]　GB/T 229—1994,金属夏比缺口冲击试验方法[S].

[5]　崔中圻.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,1988. (许编) 

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