（机械工程专业论文）Ω环加氢换热器制造技术研究.pdf

摘要 本文通过为浙江和邦化学有限公司设计制造的两台8 0 万吨年加氢精制装置中的 加氢换热器，研究了2 2 5 c r l m o 钢的焊接性能、热处理性能及材料性能；制定了为获得 最佳母材及焊缝综合力学性能的热处理工艺参数；掌握了该材料的焊接性，确定出了最 佳焊接工艺参数及相匹配的焊材。上述这些研究的结果，为应用该种材料制造加氢换热 器奠定了扎实的理论和实际基础。同时针对q 环加氢换热器的制造难关，研究相应的制 造技术，主要包括各零部件的制造工艺和制造结果，解决制造过程中的各项难题，制订 出一套完善的q 环加氢换热器的制造方法，并完成制造。通过本项目的研制，必将大大 提升我国加氢换热器的制造能力，节省设备投资，缓解原材料采购困难的局面，更好的 满足石化行业的需求。 关键词：加氢换热器，制造技术，q 环 a b s t r a c t q r i n gh y d r o g e n a t i o nh e a te x c h a n g e rt e c h n o l o g y z h a n gz h e n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gh a n x i a n g i nt h i sp a p e r , a n dt h es t a t eo f z h e j i a n gc h e m i c a lc o ，l t d d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f t w o8 0 0 ，0 0 0t a h y d r o g e n a t i o nu n i ti nt h eh y d r o g e n a t i o nb e a te x c h a n g e r , r e s e a r c ht h ep e r f o r m a n c eo f2 2 5 c r l m os t e e l w e l d i n g , h e a tt r e a t m e n tp e r f o r m a n c ea n dm a t e r i a lp r o p e r t i e s ，d e v e l o p e di no r d e rt oo b t a i nt h eb e s tb a s e m e t a la n dw e l dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s ，m a s t e r e dt h em a t e r i a l w e l d a b i l i t y , d e t e r m i n e dt h eo p t i m a lw e l d i n gp a r a m e t e r sa n dw e l d i n gc o n s u m a b l e s t h er e s u l t so ft h e s e r e s e a r c h , a p p l i c a t i o nm a t e r i a l sf o rt h eh y d r o g e n a t i o no ft h ek i n do fh e a te x c h a n g e rh a sl a i das o l i d f o u n d a t i o ni n t h e o r ya n dp r a c t i c e w h i l ef o rt h eqr i n g b e a t e x c h a n g e rf a b r i c a t i o nd i f f i c u l t i e s h y d r o g e n a t i o n , r e s e a r c hm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo ft h ec o r r e s p o n d i n g , i n c l u d ea l lp a r t so ft h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dm a n u f a c t u r i n gr e s u l t s , s o l v et h ep r o b l e m si nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s , f o r m u l a t eac o m p r e h e n s i v eqr i n gh y d r o g e n a t i o nh e a te x c h a n g e rm a n u f a c t u d n gm e t h o d , a n dc o m p l e t e m a n u f a c t u r i n g t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to ft h i sp r o j e e l , w i l lg r e a t l ye n h a n c eo u ra b i l i t yt om a n u f a c t u r e h y d r o g e ne x c h a n g e r ，s a v i n ge q u i p m e n ti n v e s t m e n t , a l l e v i a t et h es i t u a t i o no fr a wm a t e r i a lp r o c u r e m e n t d i f f i c u l t i e s ，b e t t e rm e e tt h en e e d so f t b ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r y k e yw o r d s ：h y d r o g e n a t i o nh e a te x c h a n g e r ；m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ；f lr i n g 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：警壶盟日期：寸f 。年牛月，。日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：垄壶盟 指导教师签名： 日期：洲0 年 日期：渺年 z ，v 。 牛月f o 日 够月d 日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 q 环加氢换热器制造技术研究的目的和意义 石油是不可再生的资源，是目前世界上最重要的能源之一，需要持续合理利用。 我国是世界一次能源第二大消费国，占世界能源总消费的1 0 以上。我国也是富煤、少 气、缺油的国家，人均石油资源不及世界人均石油资源的1 1 0 。未来我国石油的需求量 占一次能源比例将从2 0 0 5 年的2 0 2 增加到2 0 2 0 年的2 3 5 i l 】。 随着我国加入w t o ，石油产品要参加国际竞争，其质量也将与国际接轨，因此油 品二次深加工成为了重点。石油加氢技术是石油产品精制、改质和重油加工的重要手段， 通过加氢精制和加氢裂化，使原料油的产品质量得到较大的改善，生产出液化石油气、 石脑油、喷气燃料以及轻柴油等多种优质产品。在炼油工艺中，采用高温高压加氢精制 技术已有近半个世纪的历史。随着环境保护要求的提高、加氢裂化和加氢脱硫等工艺的 改进，轻质油品需求量的增加，重质原料油的裂解精制，加氢装置的需求越来越多，如 加氢精制、加氢裂化、煤油加氢、汽油、柴油加氢和润滑油加氢装置等建设量增加，加 氢精制工艺技术也在不断进步，对装置相关设备的设计制造要求也在相应提高，作为加 氢装置中投资较高且必不可少的主要设备之一，加氢换热器越来越受到重视，其设计制 造技术的改进和提高显得极为重要。但由于加氢换热器操作条件的苛刻性( 高温、高压， 并有氢气存在) ，其设计、制造及检验要求有单独的、自成体系的完整系统，以保证设 备的可靠性和安全性。因此加氢换热器设计的重点和难点就在于如何选材以满足其操作 条件，采用何种密封结构以保证在高温高压条件下介质绝不泄漏。而在满足操作条件的 基础上，如何最大限度地提高传热效率、节省金属耗材和投资，一直是研究的重点，对于 石化行业的发展有着重要的意义。 1 2 国内外加氢换热器制造现状 加氢装置工艺介质易燃易爆，包括加氢换热器在内的主要设备在高温、高压及有 氢气和硫化氢存在的条件下运行，要求设备具有很高的可靠性。 加氢换热器所使用的场合多为加氢精制和加氢裂化两种工况，其工艺条件如下： ( 1 ) 加氢精制：主要目的是对油品进行改质，以提高产品的安定性及延长发动机等 设备使用寿命，减少对环境的污染。该工艺条件一般为：压力仁8 m p a ，温度3 2 0 4 0 0 ，介质为油气、h 2 s 和h 2 。 ( 2 ) 加氢裂化；将蜡油裂解成轻质油品，以获得高质量的石脑油、航空煤油及轻柴 第一章绪论 油。产品收率高，经济效率极好，工艺条件一般是：压力1 5 - 2 0 m p a ，温度3 6 0 - - 4 5 0 ， 介质为油气、h 2 s 和h 2 。 因此加氢换热器是石化行业中设计难度较高、质量要求较高、制造较为复杂的重 要设备之一。在所有换热器型式中，管壳式换热器的应用范围最广，适应性最强，其允 许压力可以从高真空到4 1 5 1 d p a ，温度可以从1 0 0 0 c 以下到1 1 0 0 0 c 高温。此外，它还 具有容量大、结构简单、造价低廉、清洗方便等优点。管壳式换热器的结构型式也较多， 常用的有固定管板式、浮头式、u 形管式、填料函式等，由于各自结构的特点，其使用 范围也不尽相同。 对于加氢换热器所处的高温高压工况而言，几种换热器的比较如下： ( 1 ) 固定管板式换热器适用于温差小或温差稍大但壳程压力不高以及壳程结垢不严 重的情况。 ( 2 ) 高温高压的浮头式换热器虽也有采用，但浮头式的设计比较困难。且在很高温度 下密封垫片或盘根难以有效地工作，故其应用相对较少。 ( 3 ) 填料函式换热器，在滑动处的密封在很高压力下可能发生泄漏，因而其使用仍受 到一定限制。 ( 4 ) 就高温高压工况而言，u 形管式换热器是几种换热器中最经济、可靠的。 鉴于上述各换热器的特点，国内加氢精制裂化装置中的高压换热器多采用卧式u 型管换热器，固定端管板采用可拆卸连接，管束可抽出进行清洗维修。由于高压加氢换热 器介质易燃易爆，不允许有任何泄漏，而且操作温度、操作压力均很高，这样选择何种 密封结构至关重要，直接影响加氢换热器密封可靠性及制造难易程度。因此管板与管箱、 壳体的密封结构成为加氢换热器结构设计和制造最重要的环节。 目前国内外加氢换热器常用的密封结构有以下三种：螺纹锁紧环、金属环垫密封、 盖板焊接密封。这三种密封形式在炼油化工装置上被广泛使用，均满足装置生产的安全 性、可靠性要求。但这三种密封形式都有着各自的优缺点： ( 1 ) 螺纹锁紧环结构 螺纹锁紧环结构换热器最早是由美国雪弗龙公司和日本千代田公司共同研究开发 成功的，主要用于炼油装置的高压加氢换热器，其特点在于管箱部分。换热器的壳体和 管箱锻成或焊为一体，没有大法兰连接，由内压引起的轴向力通过管箱盖和螺纹环而由 壳体本体承受。全部内件如管束等装在同一个简体内，其中简体的一端焊有封头，另一 端装有类似大丝堵形式的螺纹承压环及卡在它上面的压盖，承受着设备内部压力载荷及 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 压紧垫片的载荷。压紧垫片的压力由装在螺纹承压环上的压紧螺栓专门承担设备内部的 压力。 管程密封结构是由密封盘、外密封垫片、外压圈、外压杆、外压紧螺栓、外压盖、 螺纹承压环等组成。外密封垫片将换热器内部介质与外部隔离，其压紧是通过下列零件 力的传递来实现的：由外压紧螺栓依次传递给外压杆、外压圈、密封盘和外密封垫片， 垫片传给外压紧螺栓的反力最终作用在螺纹承压环上和管箱大螺纹上。载荷发生波动时 可以给外压紧螺栓施力，排除外泄漏。 壳程密封结构则由内密封垫片、内套筒、卡环、压环、密封盘、内压圈、内压杆、 内圈、内压紧螺栓等零部件组成。内密封垫片，起着管程与壳程分隔开的作用，它的力 传递路径为：由内压紧螺栓依次传递给内压杆、内压圈、密封盘、管程内套筒、管板和 内密封垫片。载荷发生波动时可以给内压紧螺栓施力，排除内泄漏。 螺纹锁紧环结构的主要特点如下： 结构复杂，组装要求高；机械加工零部件多，制造繁琐。尤其管箱壳体端部需要 加工内梯形螺纹，加工精度要求较高。 密封性能可靠；对内泄漏不易发现，对内漏可实现在线处理。 出现外漏问题时，可通过对外压紧螺栓施力，排除外泄漏。 管束可拆卸，管束检修不需要拆卸管箱、介质进出接管、管线，清洗容易；需采 用特殊工装对螺纹承压环和管箱壳体端部的梯形螺纹进行拆装。 由于换热器所有的力均由螺纹承压环和管箱壳体端部的梯形螺纹来承担，螺纹又在 高温下工作，长期使用后螺纹锻件会有微量变形，有时会出现螺纹咬死，无法现场拆装、 维修的情况。 锻件所占比重较大，管箱壳体都为整体锻件，设备金属耗量大，造价高。 螺纹锁紧环结构间如图1 1 所示： 3 第一章绪论 图l - 1 螺纹铺紧环结构图 f i g l - 1t h r e a d l o c k i n gr i n gc h a r t ( 2 ) 盖板焊接密封结构 盖扳焊接密封结构换热器咀前太多用于化肥装置的蒸汽发生器、蒸汽过热器，近年 丌始在炼油装置高压加氢换热器上应用。换热器整体结构与螺纹锁紧环结构相似，内部 结构基本一致，区别只在于管程部分的密封结构，如图1 2 所示。 1 _ 主螺栓：2 内顶压螺栓：3 - 密封板；4 一分隔环： 5 _ 筒体端部；6 压紧法兰：7 - 顶环；8 内压紧螺栓 圉1 - 2 盖板焊接密封结构图 f 1 - 2 t i l ec o y e r w e l d i n gs e a lc h a r t 盖板焊接密封结构的主要特点如下： 焊接密封结构较简单。 管箱采用焊接密封，管程密封性能更为可靠，壳程密封性能与螺纹锁紧环结构 致。对内泄漏不易发现对内漏可实现在线处理。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 盖板焊接密封结构属于无垫片密封，不会发生密封垫片失效的问题。运行较螺纹 锁紧环结构更为可靠。 盖板焊接密封结构不需要特殊工装进行拆装，拆装比较简单。 端部平盖采用螺柱与筒体端部连接，检维修时只需卸下管箱盖板，磨开密封与管箱 端部的角焊缝，即可对管束进行检维修。 锻件所占比重较大，管箱端部采用外螺纹密封，简体端部及平盖直径、厚度较大， 设备金属耗量大，造价较高。 ( 3 ) 金属环垫密封结构 金属环垫密封结构分为八角环垫片和椭圆垫片，这种密封结构是将固定端管板夹在 壳体法兰和管箱法兰之间，用八角形金属环或椭圆环作为密封垫片，由螺栓紧固力预紧来 完成密封。该结构亦适用于加氢换热器，其密封性能可靠，结构简单，设计较容易，制 造和拆装都较容易。但金属耗量大，且密封面容易因拆装而产生变形错位，导致泄漏。 由于采用金属环垫，则垫片系数i n 和比压y 都很大，相应地设备法兰和管板厚度都大幅 度地增加，所以整个设备重量增加，费用增大，设备的经济性差。如图1 3 及图1 - 4 所 示： 图1 3 八角垫片 f i g l - 3o c t a g o nr i n g 图1 - 4 椭圆垫片 f i g l - 4e l l i p s er i n g 5 第一章绪论 上述三种结构的加氢换热器已应用很多年，其设计制造技术已较成熟。但受结构的 影响每台设备所耗费的金属和制造成本都很高，这就直接决定了产品造价和难度，同时 也影响了该类产品制造技术的发展。 1 3 本课题要做的工作 兰州石油机械研究所从2 0 世纪7 0 年代起，就一直致力于换热器的设计、制造技 术这方面的研究，至2 0 0 3 年，开发研究出了新型的q 环密封结构。q 环密封结构是由 一对半q 环组焊而成，材质为3 4 7 或3 2 1 h i 级锻件。其密封原理为：用受压性能较好的 小直径管作为承压密封元件，介质和环境完全隔绝，解决了其它类型垫片可能出现的密 封面失效问题。该密封所需螺栓预紧力很小，垫片系数i l l 和比压y 都可取得很小，因此 相应地设备法兰和管板厚度可设计得较薄，减小了设备法兰与主螺栓的尺寸和重量，大 大降低了金属耗量和制造成本。由于q 环密封结构特殊的连接形式保证了加氢换热器热 绝对可靠的密封。同普遍采用的钢垫圈密封结构( 八角垫、椭圆垫) 、螺纹锁紧环密封 结构相比，q 环密封结构兼有两者的优点：拆卸检修方便、密封绝对可靠等特点，同时 具有制造简单、造价低以及直径、压力、温度适用范围广的优势，新型q 环结构的密封 性能绝对可靠，金属耗量很少，设备的经济性很好，对于石化行业的发展有着重要的意 义。 本课题研究的重点：本次研制的设备为浙江和邦化学有限公司8 0 万吨年加氢精制 装置中的加氢换热器，需编制完整的制造方案，了解和掌握2 2 5 c r l m o 钢的材料性能， 焊接性能和热处理性能，掌握用该材料制造加氢换热器的工艺技术，制订出合理正确的 制造工艺，焊接工艺和热处理工艺。同时q 环密封结构在加氢换热器上的应用尚属国内 首创，因此并无同类产品的制造经验可以借鉴，需要针对此结构攻克相应的制造难关。 研究相应的制造技术，主要包括各零部件的制造工艺和制造结果，解决制造过程中的各 项难题，制订一套完善的q 环加氢换热器的制造方法。 以上工作为我国加氢换热器的制造技术奠定扎实的基础。通过本项目的研制，必将 大大提升我国制造加氢设备的能力，缓解目前材料采购困难的局面，降低产品造价，更 好的满足石化行业对加氢装备的需求。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章q 环加氢换热器的结构设计 2 1设计参数 两台加氢换热器主要工艺参数如下： 产品位号：e 2 1 0 2 a b 工作压力：( 管程) 8 5m p a ( 壳程) 9 1 m p a 设计压力：( 管程) 9 1m p a ( 壳程) 9 7 m p a 工作温度：( 管程) 3 8 5 2 7 7 。c ，( 壳程) 4 4 3 3 8 c 设计温度：( 管程) 4 1 0 c ，( 壳程) 3 6 0 ( 2 介质：( 管程) 精制反应流出物( 壳程) 循环氢焦化柴油 2 2 结构方案设计 此次设计的q 环加氢换热器结构为2 管程1 壳程式u 型管换热器，如图2 - 1 所示， 其主要结构由以下几部分构成： 1 管箱2 q 环3 管束4 壳体 图2 - 1q 环加氢换热器结构 f i 9 2 - 1 qr i n gh y d r o g e n a t i o ns t r u c t u r e ( 1 ) 管箱： 管箱封头：为半球形封头结构，降低所用板材厚度，采用2 2 5 c r l m o 钢板热冲压 成型，内壁双层堆焊3 0 9 + 3 4 7 ，封头与管箱短节间的连接采用堆焊过渡。 管箱短节：采用2 2 5 c r l m o 钢板冷卷，内壁双层堆焊3 0 9 + 3 4 7 。 管箱法兰：采用2 2 5 c r l m o 整体锻件，内壁双层堆焊3 0 9 + 3 4 7 。 管箱接管法兰：采用2 2 5 c r l m o 整体锻件，内壁双层堆焊3 0 9 + 3 4 7 ，接管与管箱 7 第二章q 环加氢换热器的结构设计 短节间的连接采用插入式。 管箱隔板：管箱分程隔板采用双层结构( 分为中间隔板和盖板) ，以增强刚性， 其与管箱其它相关零件的连接为角焊缝：隔板与管板间采用“c 形密封管来密封。 ( 2 ) 壳体： 壳体封头：为半球形封头结构，降低所用板材厚度，采用2 2 5 c r l m o 钢板热冲压成型， 内壁双层堆焊3 0 9 + 3 4 7 ，封头与管箱短节间的连接采用堆焊过渡。 壳体筒节：采用2 2 5 c r l m o 钢板冷卷，内壁双层堆焊3 0 9 + 3 4 7 。 壳体法兰：采用2 2 5 c r l m o 整体锻件，内壁双层堆焊3 0 9 + 3 4 7 。 壳体接管法兰：采用2 2 5 c r l m o 整体锻件，内壁双层堆焊3 0 9 + 3 4 7 ，接管与管箱短节 间的连接采用插入式。 ( 3 ) 管束： 管板：采用0 c r l 8 n i l 0 t i 整体锻件来加工制造，管板由管箱法兰与壳体法兰两边夹持， 法兰为螺栓连接结构。 折流板：采用了双弓形折流板结构，降低了壳程压降，材质为0 c r l 8 n i l 0 t i 钢板，折 流板间距4 0 0 m m 。 换热管：采用了1 9 2 材质为0 c r l 8 n i l 0 t i 的u 形换热管，换热管排列方式为转角 正方形，共7 3 5 根，管心距2 5 m m ，换热管与管板的连接采用强度焊+ 贴胀。 ( 4 ) q 密封环：每个q 环为2 个半环对接焊制而成，每个半环采用3 4 7 整体锻件加工而成， q 环与设备法兰、管板的连接为角接焊缝。 ( 5 ) 主螺柱、螺母：设备法兰( 管箱法兰与壳体法兰) 间为螺栓连接结构，所用螺柱材质 为2 5 c r 2 m o v a ，螺母材质为3 5 c r m o a 。 ( 6 ) 鞍座：与标准鞍座基本一致，上台换热器设1 个滑动鞍座；下台换热器设1 个固定鞍 座2 个滑动鞍座，其中1 个滑动鞍座与上台滑动鞍座相连。 2 3 设备制造关键技术 2 3 12 2 5 c r lm o 钢材料性能检测 由于加氢换热器处在临氢条件下工作，因此所选用的材料除满足强度要求外，还需 考虑很多因素，如：氢脆、氢腐蚀、硫化氢腐蚀、铬钼钢的回火脆化、硫化物应力腐蚀 开裂、奥化体不锈钢剥离现象等，因此对材料的要求十分严格。次社备的主体材料( 封 头、壳体等) 选用了适宜在高温高压、临氢工况下使用的2 2 5 c r l m o 钢，这种材料属低 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 合金高强度铬钼钢，其材料的化学成分将直接影响到各项力学性能和制造性能，所以入 厂后均进行了材料性能检测，以保证产品质量。 2 3 22 2 5 c r l m o 钢材料焊接及热处理性能 由于2 2 5 c r l m o 钢具有回火脆化的特点，焊接过程中易出现冷裂纹、再热裂纹，因 此严格控制焊接工艺和热处理工艺是该类产品制造过程中不可或缺的重点环节，为此主 要控制的环节有：焊前预热、层间温度、焊后消氢、中间热处理及最终热处理。 2 3 3q 密封环的制造加工工艺 q 环是本台加氢换热器的关键密封元件，其加工精度、装配精度及焊接质量对产品 的使用性能有着极大影响，且国内外无同类产品的制造经验可参考，因此必须研究出一 套适合本公司的q 环制造技术，并严格控制制造工艺的执行。 9 第三章材料性能检测 第三章材料性能检测 3 12 2 5 c r l m o 钢材料性能检测 q 环加氢换热器的壳体及封头均采用舞阳钢铁有限责任公司所提供的2 2 5 c r l m o 材 料，以正火+ 回火状态交货。其中壳体厚度为4 8 m m ，总长5 5 3 0 m m ，封头厚度为2 8 m m ， 管箱短节厚度为4 8 m m ，总长2 1 8 2 r n m , 管箱封头厚度为2 8 m m ，回厂后对主材进行了力 学性能检测及化学成分分析。 3 1 1 钢板取样部位 钢板厚度对脆性断裂有着较大关系，钢板愈厚，其低温脆性化倾向愈明显。随着钢 板厚度的增加，在轧制时变形量小，晶粒较粗大，钢板内部产生偏析的可能性也多。在 热处理时内层的冷却速度比外层慢，从而导致金相组织的不均匀性。这样势必对力学性 能取样位置有一个明确要求，规定冲击试验取在板厚中心处( t 2 ) ，拉伸试样取在板厚中 心与面层的中心处( t 4 ) ，可以看出冲击取样苛刻，拉伸取样折衷。由于尽量减少焊缝， 致使板幅尺寸很大。除厚度方向外，对于长板，还要在对角线左右两角部分别取样。检 测结果也证明少数板材不同部位中心层冲击韧性对偏析，组织不匀性是非常敏感，虽然 低温冲击功都在合格范围内，但数值相差较大，因此对钢板取样位置要求如表3 1 所示。 表3 - 1 钢板取样部位 试验项目取样部位热处理条件 钢板两端对角部位t x t 4 处，试样轴线应垂直于 一组m a x p w h t 室温拉伸试验 一组m i n p w h t 轧制方向 钢板两端对角部位t x t 4 处，试样轴线应垂直于 一组m a x p w h t 高温拉伸试验 一组m i n p w h t 轧制方向 钢板两端对角部位t x t 2 处，试样轴线应垂直于 一套m a x p w h t 3 0 夏比冲击试验 一套m i n p w h t 轧制方向，试样缺口长度方向与钢板表面垂直 钢板两端对角部位t x t 4 处，试样轴线应垂直于 一套m i n p w h t 同火脆化倾向评定试验 一 套 轧制方向，试样缺口长度方向与钢板表面垂直 m i n p w h t + s c 从钢板两端中间部位t x 表面取样，试样轴线应 室温弯曲试验供货状态 垂直于轧制方向 化学分析钢板两对角部位t t 2 3 1 22 2 5 c r l m o 钢板化学成分分析 从使用性能看，加氢设备面临着介质的应力腐蚀、氢腐蚀、氢脆、回火脆化和蠕变 l o 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 脆化等一系列问题。从设备寿命和安全考虑尤以回火脆化为主要，因此对于常规的 2 2 5 c r l m o 钢，为控制回火脆化，须严格控制入炉原料并采用电炉或氧气转炉加炉外精 炼，真空脱氧的工艺冶炼钢材，应为本质细晶粒镇静钢。 p 、s b 、s n 、舡等杂质元素在原奥氏体晶界上的偏聚是引起回火脆化的主要元素， 于是有人提出与化学成份有关的回火脆化敏感性系数，即j 系数和x 系数，并且符合下 述要求： l = ( s i + m n ) ( p + s n ) x1 0 1 5 0 ( 3 - 1 ) x = ( 1 0 0 + 5 s b + 3 s n + a s ) 1 1 0 2 2 0 ( 3 2 ) 此次对加氢换热器提出的指标是： j = ( s i + m n ) ( p + s n ) 1 0 4 1 0 0 ，式中元素以百分含量代入，如0 0 1 应以o 0 l 代入 x ；( 1 0 p 十5 s b + 3 s n + a s ) 10 - 2 1 5 m g l ，式中元素以m g 1 含量代入，如 0 0 1 以1 0 0m g l 代入。 显然，在冶炼时对杂质元素要严加控制。是用优质纯铁还是用废钢冶炼，是判别钢 厂产品稳定的主要标志。同时，在钢中保持高的锰碳比( m n c ) ，一般至少应使锰碳比 等于3 。除可以降低脆性转变温度外，还可以抑制磷的有害作用。 因此对2 2 5 c r l m o 钢板的化学成分进行分析，检测结果见表3 2 。 表3 2 钢板化学成分分析报告 素 内趴 cs jm npsc rm 0 标准要求 0 1 5o 2 50 2 5 o 6 60 0 1 2o 0 1 21 9 0 2 6 00 8 5 1 1 5 ( 产品分析) 原 6 = 4 8 o 1 2 0 1 2 0 5 4 0 0 0 60 0 0 3 2 3 41 0 4 证 6 = 2 8 o 1 3o 1 30 5 4 0 0 0 8 0 0 0 32 41 0 5 检 6 = 4 8 o 1 30 1 60 5 60 0 0 80 0 0 42 - 3 51 0 5 测 6 = 2 8 0 1 3 o 1 6 o 5 5 0 0 0 9 0 0 0 42 3 61 0 1 第三章材料性能检测 表3 - 2 钢板化学成分分析报告( 续) 冠素 内容 n ic us ns ba s x 系数j 系数 标准要求 0 2 5 0 2o 0 1 50 0 0 30 0 1 51 51 0 0 ( 产品分析) 原 6 = 5 00 1 50 1 10 0 0 30 0 0 1 0 0 0 27 65 9 4 证 6 = 2 8 o 1 2o 1 40 0 0 30 0 0 l0 0 0 29 67 3 7 检 6 = 5 0o 1 30 1 00 0 0 50 0 0 30 0 0 9 1 2 48 5 8 测 6 = 2 80 1 2o 0 90 0 0 5 0 0 0 20 0 0 91 2 99 9 4 3 1 32 2 5 c r l m o 钢板的力学性能检测 热处理规范对材料力学性能的影响很大，主要表现在奥氏体化温度及冷却速度。为 了提高材料韧性和强度，几乎都采用正火+ 回火工艺。对于以提高材料抗拉性能为目的 的淬火+ 回火，一般不推荐使用。奥氏体化温度越高，则强度越高，脆化量也越大，为 此不希望奥氏体化温度太高，奥氏体化温度偏低，虽脆化敏感性可以得到抑制，此时钢 材强度，尤其是屈服强度将显著下降，这也是不可取的。奥氏体化温度的冷却速度与抗 拉强度，屈服强度之间的关系也是：当冷却速度在5 c r a i n 以上时，强度和冲击韧性 几乎是不变的，低于5 c m i n 时，强度和韧性均下降。随着器壁厚度增大，若正火时仍 采用空冷法( 冷却速度很小) ，又是不适宜的。当冷却速度在5 c m i n 左右，从金相组织 看，片状铁素体消失，即可得到均贝氏体组织，因此要兼顾强度、韧性、脆化敏感性。 材料在制造过程中，要经过次数不等的各种工艺性热处n ( q u 温成型加热、中间焊后 热处理) 和设备整体焊后热处理，这与投料的先后和制造的编排有关，会出现最后投放 的某块料只受最少的工艺性热处理，而最先投放的某块料却要跟着与自身不断相连的材 料多次热处理，材料的性能显得有差异。在考核材料性能时，将设备最终消除应力热 处理和今后大修的热处理都包括在内，划分为经受了最少的和最大的焊后热处理 ( m i n p w h t 和m a x p w h t ) 。 m a x p w h t ：6 9 0 4 - 1 4 x 2 6h + 2 h m i l l p w h t ：6 9 0 * c 士1 4 x 61 1 + 2 h 实际检测时，将交货状态的试样分为二块，一块经受m a x p w h t ，另一块经受 m i n p w h t 。m a x p w h t 试块考核拉伸性能、冷弯、晶粒度、硬度。 m i n p w h t 试块考核冲击。介于两种之间的试块材料的性能，均不能低于相应性 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 能要求为合格。 2 2 5 c r l m o 钢板的力学性能检测项目按表3 3 的规定执行，检测后性能指标合格，具体 结果见表3 _ 4 表3 - 3 钢板的力学性能检测项目 项目单位数值 室温拉伸强度ob 巾a5 1 5 6 9 0 室温屈服强度oo 2 m p a3 1 0 室温延伸率64 1 8 室温断面收缩率1 i ， 4 5 夏比冲击功( v 型缺口) 3 0 j 三个试样平均值t 5 4 ，允许一个试样t 4 7 高温屈服强度o0 2 m p a 4 7 0 。c 的oo 2 2 2 7 m p a 。 硬度 h b2 2 0 室温弯曲试验弯曲1 8 0 。无裂纹 表3 4钢板的力学性能检测报告 4 7 0 0 c 冲击试验 目 热处理 ob o0 265l l ， 冷弯 内容 状态 i p a口a o0 2 a k v ( j ) a = 1 8 0 0 h b 咿a n + t + 3 0 0 3 0 0 5 9 04 5 73 8 52 67 53 0 6 m a x p 、h t 2 9 3 忽4 也1 4 合格 = 4 8 z j d n + t +2 9 3 3 0 0 5 5 54 1 83 1 52 8 7 13 0 原m i n p w h t2 7 l 证 n + t +2 6 4 2 5 0 6 3 0 5 1 03 8 62 8 6 9 3 0 6 m a x p 、 ，h t2 4 8 加1 历0 b 合格 = 2 8 n + t + 2 7 0 2 4 2 2 5 8 54 6 83 3 82 67 33 0 m i n p w h t2 3 7 n + t +2 9 9 2 9 9 5 9 54 6 53 7 02 78 03 0 6 m a x p w h t2 9 9 加删 合格 = 4 8 n + t +2 9 9 2 9 8 2 0 4 5 8 5 4 5 03 6 52 8 7 8 3 0 检 m i n p w h t 2 9 7 测 n + t +1 q n q | 8 6 7 05 6 5 4 4 5 2 67 9 3 0 6 m a x p w h t o 1 9 m 9 刚 合格 = 2 8 n + t +7 0 7 0 8 1 9 4 “5 5 4 54 6 02 67 93 0 m i n p w h t0 第三章材料性能检测 注：室温弯曲试验弯芯直径d ：t 2 5 r a m ，d - - 2 0 t ；2 5 m m 4 7 高温屈服强度o0 2 m p a 要求4 7 0 。c 的o0 2 2 3 0 m p a 表3 - 8 锻件力学性能检测报告 项目 热处理状态 obo0 24 7 0 u c64v 冲击试验 内容 m 旷a m 咿a oo 2 m p a a k v ( j ) 管箱 n + t + m a x p w h t5 7 64 5 03 8 52 48 13 02 7 5 2 81 2 7 9 法兰 n + t + m i n p w h t5 8 74 6 34 6 32 48 03 02 6 9 2 8 8 2 5 5 管箱侧 n _ f - 1 - + m a x p 、v h t5 7 14 4 43 8 02 58 03 02 6 2 2 5 7 2 6 3 原 法兰 n + t + m i n p w h t5 7 44 4 04 0 02 78 13 02 7 8 2 8l 2 7 5 证 管箱接 n + t + m a x p w h t5 3 23 9 22 7 5 2 98 13 02 3 5 2 8 6 2 7 8 管法兰 n + t + m i n p w h t5 2 83 8 22 6 22 7 8 0 3 0 2 7 0 2 3 4 2 9 0 壳体接 n + t + m a x p 啊t5 5 64 2 73 8 52 78 33 02 9 9 2 8 6 2 9 2 管法兰 n + t + m i n p w h t5 4 34 0 23 7 03 l8 23 02 9 8 2 9 2 2 9 3 管箱 n 1 + m a x p w h t 5 9 54 5 8 3 8 3 2 97 93 02 9 8 2 9 8 2 9 8 法兰 n + t + m i n p w h t5 8 54 4 63 7 02 77 93 0 2 9 8 2 9 8 2 9 8 管箱侧 n + t + m a x p w h t5 5 24 1 12 7 23 18 03 02 9 8 2 9 8 2 9 2 检 法兰 n + t + m i n p w h t5 5 3 3 9 8 2 6 8 2 97 93 02 8 9 2 9 3 2 9 5 测 管箱接 n + t + m a x p w h t6 0 14 7 43 8 43 07 93 02 9 8 2 8 6 2 7 8 管法兰 n + t + m i n p w h t 5 9 24 6 83 7 42 98 03 02 9 9 2 91 2 8 0 壳体接 n + t + m a x p w h t5 9 04 7 03 8 0 3 08 43 02 9 5 2 9 5 2 9 5 管法兰 n + t + m i n p w h t5 4 54 2 03 2 03 08 43 02 9 6 2 9 6 2 ：9 4 回火脆化倾向评定试验结果为：v t r 5 4 + 2 5 a v t r 5 4 弋 4 7 高温屈服强度oo 2 m p a 4 7 0 c 的oo 2 2 2 7 m p a 。 硬度 h b2 2 0 室温弯曲试验弯曲1 8 0 。无裂纹 ( 4 ) 焊接接头硬度检测指标 如图4 1 所示，在试板断面的t 4 、t 2 处测量硬度，各点硬度值均不得超过h b 2 2 5 。 ( a 区为母材，b 区为热影响区，c 区为焊缝金属；用维氏硬度仪测量，将结果折算 成h b ：测量点间距在a 、c 区为3n n ，在b 区为o 5i t i i l l ；试板热处理状态为正火+ 回火+ m i n p w h t 。) 1 f 4 t 2 图4 - 1 硬度测点分布 f i 9 4 - 1 h a r d n e s sm e a s u r e m e n t p o i n td i s t r i b u t i o n 4 3 2 2 5 c r l m o 钢产品焊接工艺评定应用 ( 1 ) 焊接方法 根据设备制造要求，焊接2 2 5 c r l m o 钢主要采用焊条电弧焊和埋弧焊两种焊接方法。 简体纵缝焊接、简体之间环缝焊接均采用埋弧焊焊接方法：筒体与封头之间环缝焊接采 用内焊条电弧焊+ 外埋弧焊焊接方法；接管法兰之间、接管法兰与壳体之间焊接接头采 用焊条电弧焊焊接方法。 ( 2 ) 焊前准备 由于该种钢系低合金高强耐热钢，此类钢的焊接缺陷主要为冷裂纹。产生冷裂纹的 三要素之一是扩散氢的作用。扩散氢取决于焊缝中氢的含量，其来源主要为焊剂受潮、 坡口两侧因空气温度较低而在坡口两侧形成的水气，那么，焊剂的烘干、坡口的焊前预 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 热、焊后后热非常重要。另外，焊前对焊丝表面、坡口面及两侧2 0 m m 范围内的油、锈 及其它脏物一定要清除干净，焊条、焊剂严格按烘干，随用随取。 焊条c m a 1 0 6 n 烘干温度：( 3 2 5 3 7 5 ) x1 h 焊剂p f 2 0 0 烘干温度：( 2 0 0 3 0 0 ) xl h 我们通过加强对焊接材料和坡口清理的过程控制，从根源上杜绝了焊前前期准备对 焊接质量的影响。 ( 3 ) 焊前预热、层温的控制及后热消氢处理 焊前预热：该种钢的焊前预热是防止焊接裂纹的重要工艺措施，通过试验确定 2 2 5 c r l m o 钢的预热温度2 0 0 - 3 0 0 。 层间温度：焊接温度过高，会导致焊缝金属晶粒粗大，影响焊缝的韧性，因此，还 应对层间温度控制在2 0 0 , - - , 3 0 0 。c 之间。 焊后消氢处理：焊后消氢处理( 3 0 0 - - 3 5 0 ) 2 h 。 中间消应力：对于筒体纵环焊缝，为改善焊缝性能，有效防止延迟裂纹而进行6 2 0 的中间消除应力热处理。 针对预热温度的保证上，我们专门设计了简体纵缝加热工装、筒体环缝内、外加热 工装，保证产品焊接的预热温度及后热温度。 焊前预热、焊后消氢按如下方案执行： 环缝预热、消氢处理均为局部电加热方法。 焊前预热、焊后消氢处理工艺，预热7 2 0 0 c ，消氢( 3 0 0 - - - , 3 5 0 ) c 2 h 。预热范围： 坡口两侧1 5 0 m m 。 采用电脑温控柜控制加热过程中的温度变化。 热电偶的布置：在环缝外壁距离环缝至少l o o m m 环带内沿圆周均布4 支热电偶 控制预热及消氢温度。 加热带的布置：在环缝外壁采用履带式远红外陶瓷电加热带，发热面尺寸为5 2 0 m m x 4 3 0m m ，加热宽度5 2 0 m m 。 ( 4 ) 焊接规范 优质焊缝金属的获得既决定于焊接材料的冶金性能，又决定于在一定的焊接条件 下，焊接材料的工艺性。焊接时后焊的焊道对前面焊道有再热回火作用，有粗细晶粒层 状结构，受正火作用部分