双相不锈钢管子与管板胀接工艺研究

双相不锈钢管子与管板胀接工艺研究

发表日期：2011-02-12

双相不锈钢管子与管板胀接工艺研究

张莹莹，高磊，纪强

摘要：主要研究双相不锈钢管子与管板胀接工艺，选取液压胀管的方法进行胀接试验，并对胀前和胀后的管子分别进行尺寸检验、点腐蚀试验、金相观察、硬度测量等试验来验证胀接工艺的可行性，从而确定了最佳的胀管压力。

关键词：双相不锈钢；胀接；点腐蚀；金相观察；显微硬度1 前言

在化工、石油、医药、原子能和核工业中，换热器的应用十分广泛，其类型与结构也很多，其中管壳式换热器是最普遍使用的。管壳式换热器有数百乃至数千根传热管，其中管子与管板的连接工艺是管壳式换热器制造中最为频繁的操作。在实际运行中，管子与管板连接处一直是管壳式换热器中最薄弱的环节之一，最容易发生破坏导致换热器失效，其中胀管率控制不当是主要原因之一。因此，选择适当连接方式，使每一个管子与管板连接接头都满足质量要求是换热器制造商和用户所迫切希望解决的问题。在管壳式换热器的设计、制造过程中，换热管与管板之间的连接问题直接影响工艺操作的正常进行，甚至迫使整个生产线停产，因此换热器管子与管板的接头型式的技术研究一直是国内外技术人员

关注的焦点。本文因此对双相不锈钢管子与管板的胀接工艺进行研究，从而确定最佳胀接的工艺参数。

2 胀接试验

2.1 试件的确定

试验所用的管板是：16Mn（锻）+堆焊（E309MOL+2209型），管板厚度为150mm；换热管为SAF2205双相不锈钢钢管，直径为25mm，厚度为2mm。管板孔按照正三角形排列，模拟管板如图1所示。

图1 胀接试验10孔管板示意图

2.2 胀接方法的选择

液压胀接是一种对换热管内表面施加均匀的静态内压的胀

接技术。其中的液袋胀接法的液袋胀头结构简图如图2所示，超高压胀管介质通过芯棒的中心孔进入芯棒与管子内表面

之间的液袋内，通过液袋对换热管内表面施加均匀的压力，胀管介质的密封由液袋完成，对管孔没有污染，并且管子的胀接力可精确控制，对管子公差要求不高，操作轻便，生产效率高，是一种很有发展前途的胀接技术。

图2 液袋胀头结构简图

本试验采用液压胀中的液袋胀，液压胀接要满足

BCEQ-9335《双相不锈钢冷换管束制造技术条件》的要求；2205双相不锈钢管子与管板连接采用强度焊+贴胀，换热管与管板连接要满足BCEQ-9337《换热管与管板连接附加技术要求》。

2.3 胀接参数的确定

（1）胀头的选择：贴胀应从离开管头焊缝处的管板端面

15mm部位开始，贴胀长度不得延伸至壳程侧的管板端面，距该端面至少3mm。试验选择胀头长度为132mm，胀头直径为20.9mm。

（2）胀力的确定：在胀接前要进行机加工等准备工作和焊接试验，然后进行胀接试验，观察试样的贴合情况，从而确定胀力的大小为195MPa，试胀数据如表1.

3 胀接检验

3.1 胀接质量检测

贴胀完毕后，应采用千分表测量换热管的胀后内径d1，并按下式计算实际胀度p：

从换热管贴胀胀度表中可知直径为25mm的双相不锈钢规定胀度p为1.7%~2.2%。

3.2 胀接后点腐蚀性能检验

根据GB 4334.7《不锈钢三氯化铁腐蚀试验方法》，对胀接试验后双相不锈钢钢管试样进行点腐蚀试验。试样成半圆环状，使用恒温水浴锅腐蚀后试样。耐点蚀用腐蚀率，即单位面积、单位时间的失重表示。计算公式如下：

3.3 胀接前后显微金相检验

把一根2205双相不锈钢管子分成11段，保留一段管子作为原始试样，其它10段管子进行胀接试验（如图1），并在195MPa胀管压力下胀接上的管子和原始管子上截取金相试样，使用铁氰化钾溶液碱性溶液进行腐蚀。

双相不锈钢具有铁素体和奥氏体两相组织，深灰色基体为铁素体组织，白色为奥氏体组织，由于管子轧制成型，因此双相不锈钢管子纵截面两相组织呈带状分布。根据ASTM标准E562-76《用系统的人工数点测定体积分数》对铁素体体积分数的计算。

3.4 胀接前后硬度检验

使用显微硬度计对胀接前和胀接后SAF2205双相不锈钢管子纵截面进行硬度检验。

4 结果与分析

4.1 胀度的计算结果见表2

根据换热管贴胀胀度表，直径为25mm的双相不锈钢管的胀度为1.7%~2.2%，以上求得的胀度都在该范围内，胀接工艺合理。管子厚度S越大胀度越小；减薄量R越大胀度越大；管板孔与管子外径的间隙越大胀度越小。其中当管板孔与管子外径的间隙过大时，管子容易产生裂缝；间隙过小时，管子仅产生弹性变形就与管孔紧密贴合，当退出胀管后，管端弹性变形消失而恢复原状，是胀接失效。一般直径是25mm 的管子，间隙取0.3~0.5mm即可。

4.2 胀接后点腐蚀试验结果见表3

根据失重法计算得出：同种2205双相不锈钢管子胀接前的点蚀速率为7.71g/m2.h；胀接后平均腐蚀点腐蚀速率为6.13 g/m2.h。

4.3 显微金相检验的结果

根据ASTM标准E562-76《用系统的人工数点测定体积分数》对铁素体体积分数的计算，得出：胀接前管子铁素体平均体积分数为41.9%；胀接后管子铁素体平均体积分数为

47.35%。利用数点法计算出铁素体体积对比可知管子胀接后铁素体相比胀前增多了。

4.4 胀接前后硬度检验结果见表4

可以看出管子胀接后的硬度大于胀接前的硬度，这是因为双相不锈钢的强度在很大程度上取决于铁素体相，而韧性则取决于奥氏体相。根据计算出的体积分数可知胀接后的管子铁素体相增多，强度增大，胀后奥氏体相变少，韧性降低。

5 结论

(1)管子与管板胀接时需较高的初始作用力，胀接宜一次完成，胀力大小应进行工艺性试验来确定，本试验条件下，双相不锈钢管子与管板胀接的最佳胀力为195MPa；

(2)双相不锈钢管子胀接后耐点腐蚀性能及硬度都有所提高，液袋胀是双相不锈钢管子与管板胀接使用较好的一种方法。（以上文章摘自《压力容器》第25卷第12期总第193期）