Cr25Ni35Nb+MA热弯3D立体管质量检测方法探讨

Cr25Ni35Nb+MA热弯3D立体管质量检测方法探讨

江,克

巢湖学院 机械工程学院    安徽 合肥    238000

摘  要：Cr25Ni35Nb+MA热弯3D立体管是乙烯裂解炉中核心部件，本文主要介绍立体管结构组成及其热弯成型装置，从成型工艺角度分析探讨热弯3D立体管质量检测方法。经研究在3D弯管成型前需对离心铸造炉管进行化学成分、常温拉伸性能、高温拉伸性能检测，在成型后采用几何尺寸检测、内、外表面渗透检测、水压试验、通球试验及微观组织观察的质量检测方法，能够确保最终产品质量符合要求。

关键词：Cr25Ni35Nb+MA；3D立体管；热弯；质量检测；

0  引论

Cr25Ni35Nb+MA炉管是乙烯裂解炉辐射段核心反应部件，主要由离心铸造管及弯管组焊而成，最高使用温度达到1150℃，因此炉管提出较高的耐高温、抗氧化性能要求。近年来国内乙烯发展迅速，且工艺设备均采用自主知识产权[1]，其中由中石化SEI设计的CBL型裂解炉最高加工能力达20万t/a[2]。该炉型设计使用U型与S型弯管形成有效回路提高工艺效率，以往单独制造U型与S型管后进行组焊形成立体管，随着智能化数控加热弯曲设备的开发，可直接实现3D立体管的热弯成型，从而减少管系中焊缝数量，加强3D立体管成型质量检测研究，能够有效提升裂解炉管的安全性，具有一定的工程意义。

1  3D立体管

3D立体管主要位于乙烯裂解炉辐射段管系下部[3]，通过弯管连接形成回路为乙烯裂解反应提供反应空间。其结构组成如图1所示，该结构目前有两个制造工艺方案，第一种以Cr25Ni35Nb+MA离心铸造管为原料管，单独弯曲U型管与S型管，通过1件U型管+2件S型管组队焊接形成立体管。第二种通过智能化数控立体弯管机，直接将离心铸造管弯曲成立体式弯管，从而形成整体无焊缝式3D立体管。该工艺最大优点是减少两道组队焊缝，降低因焊缝造成的炉管高温失效概率，提高成型几何尺寸精度。

图1  3D弯管组成形式

2  感应热弯装置

中频感应热弯能够实现Cr25Ni35Nb+MA炉管弯曲，通过智能化数控立体弯管机可实现整体无焊缝的立体弯管制造，该弯管机最大的优点是采样PLC控制伺服电机进行三维立体空间的弯曲旋转角度设置，能够较准确的实现控制弯曲过程中立体角度与弯曲角度的微调控，可设置角度偏差值，实现自动启停功能，从而实现加热与弯曲的同步控制。设备在弯曲加热部位设计采样4点位置进行红外传感检测，实现全区域实时的加热温度监测，设定超温报警系统，通过程序实现在局部出现超温时，可自动调整加热线圈频率及位置间隙，以便加热温度的整体均匀化。为保证立体管角度符合设计要求，避免在弯曲过程中产生水平度超标和回弹问题情况，采样智能机械手臂加强立体管的固定。在弯曲合理部位增设辅助夹模控制弯曲后角度及尺寸精度，通过上述智能化数控控制，能实现弯曲角度±1°的偏差控制。

3  材料性能检测

3.1  化学成分

本文弯曲炉管规格为OD89×6M.S.W（最小密实层厚度），材质为Cr25Ni35Nb+MA离心铸造管，在弯曲制造前应对铸造管进行化学成分检测，其要求按标准HG/T 2601—2011[3]规定执行，其中微量元素添加Ti元素。弯管由于Cr元素具有提高材料强度和降低塑性特性，因此用于弯曲离心炉管在Cr元素含量上趋于标准要求下限调配，而Ni元素可提高材料塑性与韧性，故在炉管浇铸元素调配中按标准上限值设定。

表1 实验炉管的化学成分（质量分数，%）

3.2 常温力学性能

常温拉伸试验可以检测材料屈服强度、抗拉强度及延伸性。对弯曲前炉管加工工艺的制定具有重要作用，本文用炉管壁厚6mm，离心浇铸未镗孔状态下厚度10mm，可按照Φ5mm圆棒取样加工拉伸试样。

3.3 高温力学性能

Cr25Ni35Nb+MA炉管高温力学性能直接影响弯曲工艺设定。对用于弯曲的离心炉管取样进行高温短时力学性能实验与高温持久试验，高温短时实验温度选择800，900，1000和1100 ℃共计4组，高温短时实验结果显示随着温度的增高，炉管抗拉强度值降低明显，延伸率值提升同样明显。常温下抗拉强度较高，但延伸率较低，因此在常温下进行弯曲制造将容易发送断裂情况。温度在1100 ℃时延伸率最高，但抗拉强度较低，弯曲过程容易出现裂纹等问题，1000℃时抗拉强度同样较低。综合抗拉强度与延伸率实验结果，弯曲加热温度可在800～1 000 ℃范围内选择。

4 弯曲成型尺寸及质量检测

4.1 外观形状

通过弯曲工艺进行实验弯制，弯曲后2段S型与1段U型集成为整体立体弯管形状，U型管段弯曲后两段在同一切面上，S型段要求错开，形成端部固定中心距，在形状符合设计要求技术上对U型段弯曲半径进行实测得到927mm，偏差+2mm，S型段弯曲角度及两端间距、偏转角度均符合立体弯曲设定要求。

4.2 成型后尺寸

Cr25Ni35Nb+MA实验炉管规格弯曲前实测均值为Φ89.5×6.5mm，在U型段和S型段选取6个截面（T1-T6）检测外径与壁厚，外径检测4个点，厚度8个点。通常在弯管最外侧在180°处，减薄率最大，达到2.6%，最小厚度值6.33mm，大于最小密实层6mm要求。内侧0°点处壁厚增加，最大增厚率4.1%。弯曲内侧整体壁厚大于外侧，该结果符合拉伸变形及挤压变形规律。

对弯管各截面外径进行检测，在0°-180°方向外径较小，在90°-270°方向外径较大，两个方向垂直产生椭圆度最大为1.7%，满足炉管椭圆度小于8%要求。各个截面的壁厚及外径分布规律要求一致，其变形及减薄规律与弯曲受力分析结果一致，也验证了热弯曲工艺在控制截面形状变化与厚度减薄率上有明显优势。根据上述分析，立体管在指定工艺下弯曲成型后在壁厚减薄率及椭圆度变化上均能有效控制。

4.3 无损检测

对3D立体弯管成品进行弯曲外表面及剖开内表面PT检测。内表面为镗孔机加工状态，外表面为离心铸造杨梅粒子状态。剖开后内表面弯曲部位无任何缺陷，满足NB/T47013.5-2015[4]标准质量评定等级Ⅰ合格要求。外表面也未见微裂纹缺陷存在，满足GB/T 9443-2019[5]标准质量评定等级“01”合格要求，通过上述弯曲工艺弯制造U型管质量检验满足要求。

4.4 工艺试验检测

对弯曲成型立体管进行通球试验与水压试验检测。通球试验选用不锈钢通球，直径为弯管内径90%，通球直径偏差为-0.2mm至+0.0mm。不锈钢通球试验过程未见跳动，通行顺畅、无障碍，验证U型管内壁椭圆度符合设计要求，无超标变形发生。对立体管进行水压试验，试验压力7.584MPa，保压时间30分钟，试验用水氯离子含量小于25ppm，试验结果无泄露与变形情况发生。上述工艺试验检测结果验证选定工艺下弯曲成型立体管满足要求。

4.5微观组织观察

由于弯曲后弯管曲率及壁厚限制，无法取样进行力学性能研究，通过观察弯曲后微观组织可为性能判断提供参考。经过中频加热弯曲后Cr25Ni35Nb+MA奥氏体晶界碳化物依然保持清晰的骨架状组织。弯曲前炉管晶粒呈现多边形不规则形状，在经过热弯变形后立体管外侧部位晶粒明显有延伸拉长的变化，晶界碳化物宽度有细化趋势，但并未发现晶界开裂情况。上述结果分析与弯曲过程中外侧受拉变形的受力情况一致，根据微观组织结构对比分析可知在选定工艺参数下热弯弯曲后Cr25Ni35Nb+MA材料微观组织符合质量要求。

5 结论

使用立体弯管机弯曲Cr25Ni35Nb+MA炉管，为确保成型后质量满足要求，需开展成型前化学成分与力学性能检测，成型后进行外观形状以及不同截面壁厚与外径检测，弯曲部位渗透检测，通球试验与水压试验，并观察成型后微观组织。分析证明上述质量检验方案能够满足弯管制造符合要求。

参考文献：

[1].王子宗,何细藕.乙烯装置裂解技术进展及其国产化历程[J].化工进展,2014,33(01): 1-9.

[2].何细藕,李昌力,张兆斌,等.一种辐射段炉管采用“U”形结构排布的裂解炉:CN200710097706.4[P].2011-05-04

[3].高温承压用离心铸造合金炉管：HG/T 2601—2011[S].北京：化学工业出版社，2012.

[4].承压设备无损检测第5部分：渗透检测：NB/T47013.5-2015[S].北京：新华出版社，2015.

[5].铸钢铸铁件 渗透检测：GB/T 9443-2019[S].北京：中国标准质检出版社，2019.

作者简介：江克(1985-),男,安徽庐江人，巢湖学院机械工程学院讲师,硕士,研究方向：高温合金材料成型及激光增材制造。

基金项目：巢湖学院校级科学研究项目(XLY-201806);巢湖学院一流课程建设项目(CHYLKC024)