0Cr18Ni9Ti热交换器热处理工工艺

1、辽宁匚业大学材料工艺学 课程设计（论文）题目：0Cr18Ni9Ti不锈钢热交换器热处理工艺院（系）：材料科学与工程学院专业班级:材料093吴法唐立丹090208078学生姓名: 指导教师:起止时间:2012-7-22012-7-13课程设计（论文）任务及评语院（系）：材料科学与工程学院教研室：材料科学与工程教研室090208078学生姓名吴法专业班级材料093课程设计（论文）题 目0Cr18Ni9Ti热交换器热处理工艺一、课设要求熟悉设计题目，查阅相关文献资料，概述相关零件的热处理工艺，进行换热 器的服役条件与失效形式分析，提出硬度、耐磨性、强度等要求。完成工艺设计。 阐述0Cr18Ni9Ti

2、淬火、回火热处理工艺理论基础，选择设备和工夹具，阐述主 轴热处理质量检验项目、内容及要求；阐明热交换器热处理常见缺陷的预防及补 救方法；给出所用参考文献。二、课设任务热交换器材料的选择（要求在满足工件使用性能的前提下，兼顾经济性和工艺性，合理选择材料）；给出0Cr18Ni9Ti的C曲线；给出0Cr18Ni9Ti热交换器热加工工艺流程图；制定0Cr18Ni9Ti热交换器热处理工艺。三、设计说明书要求设计说明书包括三部分：1）概述；2） 工艺设计；3）参考文献。设计说明 书结构见工艺设计模板。集中学习0.5天，资料查阅与学习，讨论1.5天，设计7天：1）概述0.5天, 2）服役条件与性能要求0.5

3、天，3）失效形式、材料的选择0.5天，4）结构形状 与热处理工艺性0.5天，5）冷热加工工序安排0.5天，6）工艺流程图0.5天，7） 热处理工艺设计2天，8） 工艺的理论基础、原则0.5天，9）设计工夹具0.5天, 10）可能出现的问题分析及防止措施 0.5天，11）热处理质量分析0.5天，设计 验收1天。成绩:指导教师签字:辽宁工业大学课程设计说明书（论文） 10金属热处理是将固态金属（包括纯金属和合金）通过特定的加热和冷却方法，使之获 得工程技术上所需性能的一种工艺过程总称。热处理之所以能获得这样的效果，是因为固 态金属在温度（也包括压力）改变时，其组织和结构也会发生变化，如能根据其变化

4、规律, 采取特定的加热与冷却方法，控制相变过程，便可获得所需的组织、结构和性能退火、控制气金属热处理分为普通热处理、表面热处理和其它热处理。普通热处理又分为: 正火、淬火和回火；表面热处理分为：表面淬化和化学热处理；其他热处理包括: 氛热处理、真空热处理、形变热处理和激光热处理。换热器，又称热交换器，是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生 产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类 型也是多种多样。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量 交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。工业上最常见的换热

5、器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳 式换热器和紧凑式换热器。紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的 换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采 用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成 熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得 以继续存在下来。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体 内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要

6、有固定管板式、带膨 胀节的固定管板式、浮头式和 U形管式等几种类型。本设计是在课堂学习热处理知识后的探索和尝试，其内容讨论如何设计热交换器的热 处理工艺，重点是制定合理的热处理规程，并按此设计换热器的热处理方法。1 0Cr18Ni9Ti钢列管式热交换器热处理工艺概述2热交换器服役条件及失效形式分析 2.1换热器的服役条件、失效形式22.2列管式换热器材料选择 2.3换热器0Cr18Ni9Ti钢的C曲线2.4 0Cr18Ni9Ti钢换热器加工工艺流程图 2.5工艺曲线图2.6阐述0Cr18Ni9Ti热处理工艺理论2.6.1固溶处理工艺原理2.6.2 稳定化退火工艺原理 2.6.3除应力处理理论及

7、原则 2.7选择设备、仪表和工夹具 2.7.1设备2.7.2仪表0Cr18Ni9Ti钢质量检验项目、内容及要求 0Cr18Ni9Ti钢处理常见缺陷的预防及补救方法 2.9.1换热器经过一段时间的运行后出现出气温度提高的现象2.9.2法兰连接处发生泄露2.9.3现场拆装后进行水压试验时出现渗漏 2.9.4管束振动3.5.6.6.7.8.8.8.9.9.91010.11参考文献1.2辽宁工业大学课程设计说明书（论文） 1 0Cr18Ni9Ti钢列管式热交换器热处理工艺概述列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。 它主要由壳体、管板、 换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采

8、用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管 流出，这称之管程；另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为 壳程列管式换热器。所以要求其材料具有很好的耐腐蚀性。而0Cr18Ni9Ti经过适当的热处理后，能满足换热器的使用性能和具有良好的使用寿命。0Cr18Ni9Ti是一种奥氏体不锈钢，具有稳定的奥氏体组织，且具有很好的耐腐蚀性。 它无磁性，而且具有很高的塑性和韧性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通 过冷加工进行强化。由于采用生产特殊钢的常规手段就可以顺利地生产出各种常用规格的 板、管、带、丝、棒材以及锻件

9、和铸件，所以曾被十分广泛的应用。对于0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的热处理先经过去应力退火，为了消除冷加工变形后的内应力，以避免以后在使用过程中发生应力腐蚀破坏。然后进行固溶处理和稳定化处理， 从而消除钢的晶间腐蚀倾向，以避免在使用过程中发生晶间腐蚀破坏；可获得单一均匀的 孪晶奥氏体组织，提高材料的均匀性和耐蚀性；改善钢的原始奥氏体晶粒度，提高材料的 力学性能；消除钢的冷加工变形组织，降低材料的硬度，恢复材料的塑性，有利于材料的 机械加工2。通过对0Cr18Ni9Ti钢换热器热处理工艺热处理工艺的分析，更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却

10、方式， 其目的就是通过正确的热处理工艺，使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。根据换热器的工作条件、失效形式及性能要求，选择 0Cr18Ni9Ti作为换热器材料, 在设计热处理工艺中，本设计借鉴了材料科学与工程专业实验教程和不锈钢及其 热处理等。根据工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程，使热处理后的换 热器具有高的耐腐蚀性，从而满足换热器的质量要求。2热交换器服役条件及失效形式分析2.1换热器的服役条件、失效形式一、服役条件200-300r）、高炉炉气、需要冷却的化学反应工艺气（300-1000C）等余热。图1为浮头式 2为列管式换热器实物图。在工业生产中，换热器的作用主要是使热量由温度

11、较高的流体传递给温度较低的流 体，使流体的温度达到工艺过程规定的指标，一满足工艺上的需求。此外，换热器也是 回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如烟道气（约 压力蒸汽（500r） 换热器剖面图，图Tii图1浮头式换热器剖面图I.图2列管式换热器实物图二、失效形式由于服役条件的原因，除了人为操作原因，换热器很少出现疲劳磨损开裂、变形等 问题。换热器渗漏是换热器使用中最为常见的失效形式，渗漏主要是腐蚀造成的，少部 分是由于换热器选型和换热器本身的制造工艺缺陷，列管式换热器的腐蚀形式基本有两 种：电化学腐蚀和化学腐蚀。列管式换热器在制作时，管板与列管的焊接一般采用手工 电弧焊，焊缝形状存在不同

12、程度的缺陷，如凹陷、气孔、夹渣等，焊缝应力的分布也不 均匀。使用时管板部分一般与工业冷却水接触，而工业冷却水中的杂质、盐类、气体、 微生物都会构成对管板和焊缝的腐蚀。这就是我们常说的电化学腐蚀。研究表明，工业 水无论是淡水还是海水，都会有各种离子和溶解的氧气，其中氯离子和氧的浓度变化， 对金属的腐蚀形状起重要作用。另外，金属结构的复杂程度也会影响腐蚀形态。因此， 管板与列管焊缝的腐蚀以孔蚀和缝隙腐蚀为主。从外观看，管板表面会有许多腐蚀产物 和积沉物，分布着大小不等的凹坑。以海水为介质时，还会产生电偶腐蚀。化学腐蚀就 是介质的腐蚀，换热器管板接触各种各样的化学介质， 就会受到化学介质的腐蚀。另外

13、, 换热器管板还会与换热管之间产生一定的双金属腐蚀。一些管板还长期处于腐蚀介质的 冲蚀中。尤其是固定管板式换热器，还有温差应力，管板与换热管联接处极易泄漏，导致 换热器失效。综上所述，影响换热器管板腐蚀的主要因素有：1、介质成分和浓度：浓度的影响不一，例如在盐酸中，一般浓度越大腐蚀越严重。碳钢和不锈钢在浓度为50%左右的硫酸中腐蚀最严重，而当浓度增加到 60%以上时，腐 蚀反而急剧下降；2、杂质：有害杂质包括氯离子、硫离子、氰离子、氨离子等，这些杂质在某些情 况下会引起严重腐蚀3、 温度：腐蚀是一种化学反应，温度每提升10C，腐蚀速度约增加13倍，但也 有例外；4、ph值：一般ph值越小，金属

14、的腐蚀越大；5、流速：多数情况下流速越大，腐蚀也越大 。2.2列管式换热器材料选择列管式换热器的材料应该根据操作压强，温度流体的腐蚀性来选用。目前常用的金 属材料有碳钢，不锈钢，低合金钢等。下面来做一些比较。碳钢价格低廉，可以很好的控制换热器的成本问题，而且工艺性能（如焊接性和冷 成形性）优良，但是耐蚀性不佳。低合金钢与碳钢相比，强度方面有了比较大的提升，但是成形能力不如碳素钢。不锈钢不易产生腐蚀、点蚀、锈蚀或磨损。不锈钢还是建筑用金属材料中强度最高 的材料之一。由于其具有良好的耐蚀性，所以它能使结构部件永久的保持工程设计的完 整性。含铬不锈钢还集机械强度和高延伸性与一身，易于部件的加工制造，

15、可满足大部 分人的需要。本次课程设计选择的是不锈钢，钢号为 0Cr18Ni9Ti。0Cr18Ni9Ti为奥氏体不锈钢，含有抗晶间腐蚀的钛，由较好的抗晶间腐蚀性能及冷 加工冲压性能，对氧化性酸由很好的抗腐蚀性，对碱溶液及大部分有机酸和无机酸也有 一定的抗腐蚀能力。化学成分：C 0.08%, SiW 1.0%, Mn 2.0%，Pw0.035%, Sw0.030%, Ni: 8%11%，Cr： 17%19%，Ti: 5X（ C%-0.02） 0.80%。2.3换热器0Cr18Ni9Ti钢的C曲线O O O O O O OO O O O O O O06 7 5 4 3 2P)逐聘Blllliili!

16、lIHM刪!胡Klir ilHSlI13IN I inmI .I 二 I = pg b T II n eiHBSiHI n Hi牒腮姗 lllll iBillllli ini iillHillin iO 耐ioVrTo*图3 0Cr18Ni9Ti钢的C曲线2.4 0Cr18Ni9Ti钢换热器加工工艺流程图根据热交换器的工作条件及失效形式，拟定的技术路线如下:备料划线f切割f边缘加工（探伤）f成型组对f焊接f焊接质量检验f组装焊接f 退火（除应力处理-固溶处理-稳定化退火）-压力试验。2.5工艺曲线图图4 0Cr18Ni9Ti除应力处理及固溶处理工艺曲线缓慢加热到400C（以减少内应力），然后快

17、速加热到900r，再加热到1050C, 保温0.5h,最后快冷至350Co加热到900C后保温3h，然后空冷。2.6阐述0Cr18Ni9Ti热处理工艺理论5261固溶处理工艺原理1600液体（L）1400S+TT1200IOOOy+ffift 物C)600wL+5 t+S + 了400r+a+C2000*0.20.40,60.81J0图6 18Cr-8Ni钢断面状态图从图6可知，18Cr-8Ni型钢，在1200E时碳的溶解度约为0.34%,在1000E约为0.18%, 而该钢好含碳量一般都在0.08%以下，因此，在1000E以上时碳全部溶于奥氏体中。而在 600E时，碳的溶解度约为0.03%，

18、常温时更少，所以，从较高温度缓慢冷却下来时，碳便 会以碳化物形式析出。碳原子的原子半径小，超过固溶极限的碳不能存在于奥氏体晶粒中， 便会沿晶粒界析出，这部分碳是不稳定的，只能与周围基体的铬形成稳定的碳化铬 Cr23C6 保存下来，因为碳化铬含有一部分铁，所以这种碳化物就记成（FeCr） 23C6。按重量百分比，碳约与10倍的铬生成碳化物，因而奥氏体晶粒界处便会由于碳与铬的析出形成贫铬 区。另一方面，由于铬的原子比较大，它不能很快的通过扩散方式扩散到贫铬区去，使贫 铬区得以保存下来。由于含铬量达不到标准，当材料在腐蚀条件下，这个位置首先受到腐 蚀。及晶界腐蚀。所以为保证不锈钢的耐蚀性，特别是耐晶

19、间腐蚀，就要将已从奥氏体中 析出，并在奥氏体晶粒界中造成贫铬现象的（FeCr） 23C6重新溶解到奥氏体中去，即加热 到一定温度快速冷却下来，让碳较稳定的保留在奥氏体中而不能析出，这就是所说的固溶 话热处理，也是奥氏体不锈钢最主要的热处理。一般奥氏体组织固溶处理温度在1050 1150C。含碳量高取上限，含碳量底取下限。 固溶处理后的力学性能与固溶处理温度由直接关系，温度越高，时间越长，硬度越低。 所以0Cr18Ni9Ti不锈钢的处理温度以1050E为宜。奥氏体不锈钢固溶处理时间应该尽量短，因为这种钢在900C左右再结晶，倒1050C很快使碳化物固溶，薄壁管的保温时间要短，厚壁管的保温时间可以

20、稍长些。要避免在高 温长时间保存，避免过热，否则会引起表面粗糙，还会造成晶粒粗大和出现大量铁素体。 保温时间应该控制在30min左右。262稳定化退火工艺原理为了达到奥氏体不锈钢稳定化的目的，使钢中的碳尽量形成TiC，稳定化热处理温度的选择很重要。这个温度的选择原则应该是略高于（FeCr）23C6的溶解温度（400825E） 低于或略高于TiC的开始溶解温度（TiC的溶解温度区间为750 1120E），在这个加热 温度区间内，可以使（FeCr） 23C6很好的溶解，而TiC很少或几乎不溶解。由于钛与碳的 亲和力大于铬与碳的亲和力。使得从（FeCr） 23C6中分解出来的碳会与钢中的钛形成新的

21、TiC。如图7所示。图7碳化物在18-8钢中的溶解度与温度的关系而从（FeCr） 23C6分解出来的铬重新融入奥氏体中。 所以含钛的奥氏体不锈钢稳定化 热处理加热温度一般推荐为850930C。实验证明，含钛奥氏体不锈钢在这个温度区间 内进行稳定化处理后，耐晶间腐蚀性能最好。如图 8所示：辽宁工业大学课程设计说明书（论文） 辽宁工业大学课程设计说明书(论文) 60C1000图8稳定化处理温度1400TiC在900r约1小时便可充分形成，因为稳定化处理包括(FeCr) 23C6的溶解，TiC 的形成，铬的固溶等过程，所以工件到温后，保温时间最少不能少于2小时，在实际生产中，保温24小时即可，当然，

22、过大的零件应延长保温时间。在烧透后，保温时间不少 于2小时。如果钢中含碳量较高或含钛量较低时，应尽量延长保温时间。不锈钢的稳定化处理的冷却方式和冷却速度对稳定化效果没有多大影响。所以为保证形状复杂工件的变形或工件的应力保持最小，可采用较小的冷却速度，如空冷或炉冷。263除应力处理理论及原则确定奥氏体不锈钢消除应力处理工艺方法，应根据材质类型、使用环境、消除应力的 目的及工件的形状尺寸等情况，注意掌握一些原则。由于0Cr18Ni9Ti含有稳定化元素的作用，使它在固溶处理加热温度以下的温度区间加 热和冷却，都基本上保证消除一定应力的同时，不产生其他不利作用。所以，它们消除应 力处理工艺的选择范围宽

23、，不受更多限制。2.7选择设备、仪表和工夹具 同2.7.1设备退火炉为主要的设备。分为周期式和连续式两类。周期式有室状炉(台车式炉)和 罩式炉(BL)，连续式有卧式炉(悬垂式炉，包括：AP(H)、AP(I)、AP(C)等，辊式炉) 和立式炉(BA等)。钢材在周期式炉中的位置固定，而在连续式炉内是连续运行的。 0Cr18Ni9Ti为奥氏体不锈钢，在热轧后应选择 AP (H),冷轧后可选择AP(I)或AP(C)， BA等连续炉。选用的的退火炉如图 9所示。-t-图9罩式退火炉结构示意图2.7.2仪表选择WRQ型铂铑-铂热电偶，其工作范围为01600C。2.8 0Cr18Ni9Ti钢质量检验项目、内

24、容及要求2.8.1质检内容设备制造过程中的检验，包括原材料的检验、工序间的检验及压力试验，具体内容 如下：1、原材料和设备零件尺寸和几何形状的检验；2、原材料和焊缝的化学成分分析、力学性能分析试验、金相组织检验，总称为破坏试验;3、原材料和焊缝内部缺陷的检验，其检验方法是无损检测，它包括：射线检验、超声波 检测、磁粉检测、渗透检测等；4、设备试压，包括：水压试验、介质试验、气密试验等。耐压试验和气密性试验：制造完工的换热器应对换热器管板的连接接头，管程和壳程进行耐压试验或增加气密性 试验，耐压试验包括水压试验和气压试验。换热器一般进行水压试验，但由于结构或支 撑原因，不能充灌液体或运行条件不允

25、许残留试验液体时，可采用气压试验。9如果介质毒性为极度，高度危害或管、壳程之间不允许有微量泄漏时，必须增加气密性 试验。2.9 0Cr18Ni9Ti钢处理常见缺陷的预防及补救方法2.9.1换热器经过一段时间的运行后出现出气温度提高的现象 产生的原因及处理方法：1、换热面结垢，影响传热效率。因水质脏、水的硬度大或气侧介质中有油污、灰垢等， 经运行一段时间，将换热面污染，影响传染效果。应根据污垢的性质采用有效的除垢方 法，如采用机械清洗、高压水清洗、化学试剂清洗等方法，定期进行管内外部的清洗。2、气侧密封处泄露，气流短路。气体没有完全通过管束与冷却水换热， 有部分气体由短 路处直接流到出气口，造成

26、出口温度升高。应将管束抽出，检查密封件安装是否正确，密封件的性能是否可靠。若密封件失效，应及时更换。若密封件安装有问题，应重新安 装、调整。3、冷却水短路。应检查水箱密封填料安装是否正确，材质性能是否可靠。（同上）4、机组出气温度过高，使得冷却器进口温度超过设计值，冷却能力不够造成。5、冷却水压差过低，造成冷却水流量不足，冷却能力下降。6、冷却水进口温度高于设计值、水质脏，与设计状态不符造成。应对冷却水进行处理， 满足技术协议要求。7、压缩机增容，气体总流量超过设计值。8检查校验冷却器出口测温元件的准确性。292法兰连接处发生泄露产生的原因及处理方法：1、密封面变形、损伤。应根据变形损伤程度，采用研磨或车削后研磨的方法加以修复。2、垫片变形、失效。应及时更换垫片。3、管子和管板的连接接头处开焊或开胀，连接失效。造成的原因：（1）、接头因高温应力松弛而失效；（2）、接头在高温高压下因腐蚀而破坏；（3）、管束在流体冲击下产生振动，使接头疲劳破坏；（4）、制造工艺不合理，接头中焊接残余应力过大，在操作中引起应力腐蚀和疲劳破坏；（5）、操作不当，温度波动，引起疲劳破坏。发生此情况时，有条件应对连