CN114182088A - 降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法，其包括步骤(1)确定管壳式换热器换热管与管板焊接接头的相关尺寸参数；(2)确定局部热处理的加热方式；(3)确定局部热处理的保温温度及保温时间；(4)确定局部热处理升温速率及降温速率；(5)布置局部热处理加热装置；(6)局部热处理实施，通过本发明的局部热处理工艺实施热处理，可以使管壳式换热器换热管与管板接头间隙处的残余拉应力转变为压应力，抑制管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂的发生。

Description

降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险 的局部热处理方法
技术领域
本发明涉及局部热处理技术领域，具体涉及一种降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法。
背景技术
管壳式换热器，又称列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可在高温、高压下使用，广泛应用于航空航天、电力、石油化工等行业。管壳式换热器由于其低成本、高安全、易清理的特点，成为目前应用最广泛、市场占有量最大的换热设备。据统计，在炼油、化工等换热器用量较大的行业，换热器的数量约占总设备数量的40％，投资额约占设备总额的30％-45％。随着管壳式换热器的大型化、高参数化发展，管壳式换热器换热管与管板连接接头的数量多、管壁薄、结构受限、检测难，成为影响换热器长期安全运行的重要因素，且管壳式换热器换热管与管板通常采用焊接方式连接，不可避免地会导致焊接残余应力的产生，管壳式换热器在服役过程中也很容易受到周围环境的影响，当腐蚀性介质存在时，在焊接残余应力及腐蚀介质同时作用下，换热管与管板焊接接头位置容易发生应力腐蚀开裂，成为管壳式换热器最为薄弱的位置。因此，需要消除管壳式换热器换热管与管板焊接接头焊接引起的残余应力，对于残余应力消除，通常采取热处理方法，但目前国内外焊后热处理的规范尚不统一，热处理参数的选取存在一定的主观性，不恰当的热处理不仅无法有效消除焊接残余应力，甚至还容易增大残余应力和变形，而且换热管与管板接头间隙处作为管壳式换热器最为薄弱的环节，尚未引起焊后局部热处理研究的充分关注，由于换热管与管板接头结构的特殊性，其应力分布较为复杂，增加了换热器管头焊接残余应力消除的难度。因此，针对此问题，提出一种有效的局部热处理方法，可降低换热器管头应力腐蚀开裂的风险，具有重要的理论指导意义和工程应用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法，不仅能有效降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头的残余应力，且在管壳式换热器换热管与管板接头间隙处产生压应力，可抑制管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂的发生。
本发明为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：
一种降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法，包括如下步骤：
(1)确定管壳式换热器换热管与管板焊接接头的相关尺寸参数：包括管壳式换热器的管板厚度T及换热管厚度t；
(2)确定局部热处理的加热方式：局部热处理加热方式采用燃气加热、电磁感应加热、电阻加热中的一种；
(3)确定局部热处理的保温温度及保温时间：局部热处理保温温度为600～700℃，保温时间为15～150min；
(4)确定局部热处理升温速率及降温速率：热处理温度在400℃至保温温度之间时，升温速率和降温速率不小于55℃/h，升温速率不大于5500/T℃/h，降温速率不大于7000/T℃/h；
(5)布置局部热处理加热装置：在管壳式换热器换热管与管板焊接接头位置布置热处理加热带；
(6)局部热处理实施：按照所确定的局部热处理工艺实施热处理，使管壳式换热器换热管与管板接头间隙处的残余拉应力转变为压应力，抑制管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂的发生。
由于管壳式换热器管头结构的特殊性，换热管与管板焊接接头的局部结构不连续，且单个换热管的体积比较小，换热管与管板焊接处容易出现应力集中的现象，而且腐蚀介质在换热管与管板间隙处还容易出现局部浓缩效应，增加了换热管与管板焊接处应力腐蚀开裂的风险。通过上述技术方案，对换热管与管板焊接处进行局部热处理，消除管壳式换热器换热管与管板焊接接头位置的残余应力，并使管壳式换热器换热管与管板接头间隙处的残余拉应力转变为压应力，抑制管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂的发生。
进一步地，所述步骤(6)热处理实施完毕后，管壳式换热器换热管与管板接头间隙处的径向残余应力为-460～-330MPa、轴向残余应力为-210～-80MPa、环向残余应力为-230～-50MPa。
进一步地，所述步骤(2)中，局部热处理加热方式采用电阻加热。
通过上述技术方案，电阻加热容易实现温度和工艺控制，且管壳式换热器换热管与管板的尺寸相对较小，使用电阻加热的局部热处理方式即可以实现焊缝及其周边区域的受热均匀。且电阻加热方式相对于电磁感应加热，其加热设备相对简便，适用于工程实际应用。
进一步地，所述步骤(3)中，保温温度为650～700℃。
采用650～700℃保温温度进行热处理，热处理实施完毕后，管壳式换热器换热管与管板接头间隙处径向残余应力为-460～-400MPa、轴向残余应力为-210～-150MPa、环向残余应力为-230～-130MPa。
进一步地，所述步骤(3)中，保温时间为15～30min。
进一步地，所述步骤(5)中，布置热处理加热带时，将加热带包覆于整个管板外表面。
进一步地，所述步骤(5)中，布置热处理加热带时，将加热带包覆于整个管板外表面后，然后在加热带外部包覆保温带。
进一步地，所述步骤(5)中，布置热处理加热带时，在热处理加热带与管板外表面之间放置热电偶。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过在管壳式换热器换热管与管板焊接接头位置进行局部热处理，消除换热管与管板焊接后产生的焊接残余应力，并通过保温温度的控制，克服了热处理保温温度选取的主观性，并使换热管与管板间隙处产生压应力，有效地抑制了换热器换热管与管板连接处应力腐蚀开裂的发生；
(2)本发明通过局部热处理保温时间的控制，克服了热处理保温时间选取的主观性，不仅能够有效降低换热器管头的焊接残余应力，且控制热处理时间在15-30min，防止热处理时间过长，造成资源浪费。
附图说明
为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明局部热处理工艺流程图；
图2是实施例1所建立的管壳式换热器换热管与管板焊接模型图；
图3是图2的局部剖视图；
图4是实施例1的局部热处理布置位置示意图；
图5是实施例1局部热处理前后残余应力分布图；
图6是实施例2局部热处理前后残余应力分布图；
图7是对比例1的对接焊圆筒示意图；
图8是对比例1的加热带和保温带布置位置示意图；
图9是对比例1局部热处理前后残余应力分布图。
具体实施方式
本发明提供了一种降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进行详细说明：
参照图1，本实施例提供一种降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法，具体包括如下步骤：
(1)确定管壳式换热器换热管与管板焊接接头的相关尺寸参数：包括管壳式换热器的管板厚度T及换热管厚度t；
(2)确定局部热处理的加热方式：局部热处理加热方式电阻加热；
(3)确定局部热处理的保温温度及保温时间：局部热处理保温温度为600～700℃，保温时间为15～150min；优选保温温度为650～700℃，保温时间为15～30min；
(4)确定局部热处理升温速率及降温速率：热处理温度在400℃至保温温度之间时，升温速率和降温速率不小于55℃/h，升温速率不大于5500/T℃/h，降温速率不大于7000/T℃/h；
(5)布置局部热处理加热装置：在管壳式换热器换热管与管板焊接接头位置布置热处理加热带及保温带；布置热处理加热带及保温带时，使加热带及保温带包覆于整个管板外表面，并在热处理加热带与管板外表面之间布置热电偶；
(6)局部热处理实施：按照所确定的局部热处理工艺实施热处理，使管壳式换热器换热管与管板接头间隙处的残余拉应力转变为压应力，抑制管壳式换热器换热管与管板接头间隙应力腐蚀开裂的发生。
实施例1
采用有限元数值模拟方法按照本发明的提供的局部热处理工艺对管壳式换热器管头进行局部热处理，并输出换热管外表面路径P1的残余应力分布。
采用有限元数值模拟局部热处理，所建立的分析模型为在管板上焊接一根换热管，对单根换热管与管板的焊接及热处理进行模拟分析，如图2所示，具体工艺参数如下：
管壳式换热器管板和换热管的材料分别为Q345R和20钢，管板的长度、宽度和厚度分别为95mm、95mm和26mm，换热管的长度、直径和厚度分别为200mm、25mm和2mm，角焊缝厚度约为1.06mm，对接焊缝厚度为1.50mm，坡口为45°，换热管与管板的间隙为0.125mm，如图3所示；
采用换热管与管板焊接常用的焊接工艺进行模拟：采用钨极氩弧焊进行两道焊接，第一道采用自熔焊打底，电流、电压和焊接速度分别为120A、16.4V和2mm/s；第二道采用填丝焊，焊丝为ER50-6，电流、电压和焊接速度分别为90A、15.8V和1mm/s，层间温度不超过100℃。
热处理工艺为：热处理保温温度分别设置550℃、600℃、650℃、700℃，热处理保温时间均为30min；
热处理升温速率及降温速率为：管壳式换热器的管板厚度T为26mm，热处理温度在400℃和保温温度之间的升温速率和降温速率不小于55℃/h，升温速率不大于211.54℃/h，降温速率不大于269.23℃/h，选取400℃和保温温度之间的升温速率和降温速率分别为88℃/h和110℃/h。
按照上述具体工艺参数进行数值模拟，输出换热管外表面路径上(P1，如图4所示路径)的焊接残余应力分布，如图5所示，图5中纵坐标表示换热管外表面的焊接残余应力值(MPa)，横坐标表示沿换热管外表面路径(P1)的距离分布，图5中(a)、(b)、(c)分别为换热管与管板焊接间隙处的径向、轴向和环向残余应力分布。
如图5所示，550℃热处理后，换热管与管板焊接间隙处的径向、轴向和环向残余应力分别为-218MPa、12MPa和52MPa，虽然轴向和环向残余应力明显降低，但仍为拉应力；600℃热处理后，换热管与管板焊接间隙处的径向、轴向和环向残余应力分别为-330MPa、-85MPa和-53MPa；650℃热处理后，换热管与管板焊接间隙处的径向、轴向和环向残余应力分别为-407MPa、-158MPa和-142MPa；700℃热处理后，换热管与管板焊接间隙处的径向、轴向和环向残余应力分别为-451MPa、-209MPa和-221MPa。采用600～700℃保温温度，可以有效降低换热管与管板焊接间隙处的焊接残余应力，且在换热管与管板焊接间隙处产生压应力，有效降低换热管与管板接头间隙处应力腐蚀开裂的风险。
实施例2
本实施例2在实施例1的基础上，按照保温温度550℃，保温时间15min、60min及150min进行热处理模拟，输出换热管外表面路径上(P1)的焊接残余应力分布，如图6所示，图6中纵坐标表示换热管外表面的焊接残余应力值(MPa)，横坐标表示沿换热管外表面路径(P1)的距离分布，图6中(a)、(b)、(c)分别为换热管与管板焊接间隙处的径向、轴向和环向残余应力分布。
从图6中可以看出，当采用550℃保温温度时，即使延长保温时间，虽然残余应力有明显消除，但其轴向及环向的残余应力仍很难达到压应力状态，说明保温温度对换热管与管壳焊接残余应力消除影响较大，保温时间对残余应力消除影响较小。
另外，本实施例还对保温温度为650℃、保温时间15min、60min及150min进行热处理模拟，其在15min、60min及150min时的残余应力变化与实施例1中650℃、30min热处理时的残余应力变化基本相同，保温时间采用15～30min就能满足要求。
对比例1
通过上述实施例1和实施例2，本发明所提供的局部热处理方法主要用于管壳式换热器换热管与管板焊接接头，对管壳式换热器换热管与管板焊接接头的残余应力具有显著的消除效果，并且在换热管与管板间隙处产生压应力，抑制应力腐蚀开裂，但该方法并不适用于其他焊接结构。
以对接焊圆筒筒体为例，进行焊后局部热处理，步骤如下：
(1)确定管壳式换热器换热管与管板焊接接头的相关尺寸参数，并按照普通焊接工艺焊接；
选用对接焊圆筒的材料为20钢，圆筒的长度、直径和厚度分别为3000mm、66mm和3mm，对接焊缝位于圆筒的中间位置，焊缝的最大宽度和厚度均为3mm，坡口为37°，如图7所示；
(2)确定局部热处理的加热方式：局部热处理加热方式电阻加热；
(3)确定局部热处理的保温温度及保温时间：局部热处理保温温度为分别设置550℃、650℃，保温时间为30min；
(4)确定局部热处理升温速率及降温速率：热处理温度在400℃至保温温度之间时，升温速率为88℃/h，降温速率为110℃/h；
(5)布置局部热处理加热装置：
在圆筒焊缝附近的外表面铺设加热装置，焊缝附近内外表面均铺设保温装置，加热带和隔热带的宽度分别为42mm和742mm，如图8所示；
(6)局部热处理实施，按照上述热处理工艺对对接焊圆筒实施，形成对接焊圆筒的局部热处理报告。
利用数值模拟的方法对对接焊圆筒进行局部热处理，输出圆筒内表面焊缝根部路径上(P2)的焊接残余应力分布，如图9所示。图9的纵坐标表示圆筒内表面的焊接残余应力(MPa)，横坐标表示沿圆筒内表面路径(P2)的距离分布，图9中(a)、(b)、(c)分别为径向、轴向和环向残余应力分布。从图9中可以看出，随着热处理保温温度的升高，圆筒内表面焊缝根部的残余应力逐渐降低，但并未有压应力的产生。这也说明了管壳式换热器管头局部热处理过程中特殊焊接结构对压应力产生有重要影响。
需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)确定管壳式换热器换热管与管板焊接接头的相关尺寸参数：包括管壳式换热器的管板厚度T及换热管厚度t；
(2)确定局部热处理的加热方式：局部热处理加热方式采用燃气加热、电磁感应加热、电阻加热中的一种；
(3)确定局部热处理的保温温度及保温时间：局部热处理保温温度为600～700℃，保温时间为15～150min；
(4)确定局部热处理升温速率及降温速率：热处理温度在400℃至保温温度之间时，升温速率和降温速率不小于55℃/h，升温速率不大于5500/T℃/h，降温速率不大于7000/T℃/h；
(5)布置局部热处理加热装置：在管壳式换热器换热管与管板焊接接头位置布置热处理加热带；
(6)局部热处理实施：按照所确定的局部热处理工艺实施热处理，使管壳式换热器换热管与管板接头间隙处的残余拉应力转变为压应力，抑制管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂的发生。
2.根据权利要求1所述的一种降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法，其特征在于，所述步骤(6)热处理实施完毕后，管壳式换热器换热管与管板接头间隙处的径向残余应力为-460～-330MPa、轴向残余应力为-210～-80MPa、环向残余应力为-230～-50MPa。
3.根据权利要求1所述的一种降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法，其特征在于，所述步骤(2)中，局部热处理加热方式采用电阻加热。
4.根据权利要求1所述的一种降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中，保温时间为15～30min。
5.根据权利要求1所述的一种降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法，其特征在于，所述步骤(5)中，布置热处理加热带时，将加热带包覆于整个管板外表面。
6.根据权利要求5所述的一种降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法，其特征在于，所述步骤(5)中，布置热处理加热带时，将加热带包覆于整个管板外表面后，然后在加热带外部包覆保温带。
7.根据权利要求5所述的一种降低管壳式换热器换热管与管板焊接接头应力腐蚀开裂风险的局部热处理方法，其特征在于，所述步骤(5)中，布置热处理加热带时，在热处理加热带与管板外表面之间放置热电偶。
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