Cr25Ni35Nb+MA爐管立體彎曲制造技術(shù)研究

江 克 李勤兵

（1.巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 238000；2.江蘇勤業(yè)石化裝備有限公司，江蘇 靖江 214500）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)乙烯需求的增長(zhǎng)，其工藝設(shè)計(jì)及制造技術(shù)發(fā)展迅速，目前國(guó)內(nèi)已完全自主掌握乙烯成套工藝技術(shù)，中石化與中石油均大力發(fā)展各自乙烯工藝，其中最核心的是乙烯裂解爐輻射段管系的工藝設(shè)計(jì)及制造工藝研發(fā)。以往乙烯裂解爐輻射段管系采用靜態(tài)鑄件與離心爐管進(jìn)行組隊(duì)焊接形成乙烯裂解反應(yīng)回路，由于靜態(tài)鑄造管件與離心鑄造管組織密實(shí)性的區(qū)別，導(dǎo)致其組對(duì)焊縫性能不穩(wěn)定，容易在高溫下產(chǎn)生失效問(wèn)題。最近幾年中，石化SEI與中石油寰球設(shè)計(jì)院均研發(fā)各自專利爐型，設(shè)計(jì)使用U型與S型彎管作為輻射段管系中離心爐管的重要連接件。由于U型與S型彎管同樣采用離心鑄造爐管彎曲制造，一定程度上提升了焊縫性能穩(wěn)定性，但其組對(duì)焊縫的整體性能依然低于母材。為進(jìn)一步提升設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行安全性，取消U型與S型的組對(duì)焊縫，設(shè)計(jì)制造整體無(wú)焊縫式立體彎管對(duì)提升乙烯裂解爐的安全性有重大意義。

1 無(wú)縫立體彎管

Cr25Ni35Nb+MA屬于耐高溫合金材料，通過(guò)離心鑄造制造的鋼管由于耐高溫性能良好、持久強(qiáng)度高、抗?jié)B碳能力強(qiáng)以及表面楊梅粒子增強(qiáng)換熱強(qiáng)度等特點(diǎn)，普遍應(yīng)用于乙烯裂解爐輻射段管系。目前常用的彎管制造方案是以Cr25Ni35Nb+MA離心鑄造管作為原料管，分別彎曲平面型U型管與S型管，采用1件U型管+2件S型管組裝方式，通過(guò)組對(duì)角度的調(diào)整與焊接連接方式制造成有焊縫式立體形狀的彎管，如圖1所示，再與直管段進(jìn)行組對(duì)形成一組回路。根據(jù)乙烯裂解反應(yīng)的工藝特性，裂解爐輻射段管系在彎管處反應(yīng)溫度一般比較高，爐管壁溫最高達(dá)1150 ℃，過(guò)多的組對(duì)焊縫往往是薄弱環(huán)節(jié)，容易出現(xiàn)泄露及斷裂失效問(wèn)題。設(shè)計(jì)減少U型管與S型管的組對(duì)焊縫，采用整體無(wú)焊縫式立體彎管取代組對(duì)焊接彎管，將能夠有效降低裂解爐輻射段管系失效發(fā)生率。由于現(xiàn)有很多彎管制造企業(yè)的彎制設(shè)備比較陳舊，采用液壓方式控制彎曲，需要通過(guò)人為經(jīng)驗(yàn)控制平面彎管的彎曲制造，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制及立體彎制作業(yè)。因此通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)控精度高的智能立體彎管機(jī)，可實(shí)現(xiàn)該文研究的整體無(wú)焊縫的立體彎管制造，其最大特點(diǎn)是將U型與S型集成為整根立體彎管，減少了U型與S型組對(duì)的2道焊縫。

圖1 彎管組成形式

2 感應(yīng)熱彎裝置

智能立體彎管機(jī)采用中頻加熱進(jìn)行彎曲制造。其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)PLC控制伺服電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置，能夠較準(zhǔn)確地控制彎曲過(guò)程中立體角度與彎曲角度的調(diào)控，在到達(dá)設(shè)定角度后，將自動(dòng)停止加熱與彎曲，并按程序設(shè)定繼續(xù)進(jìn)入下一步彎曲過(guò)程。熱彎裝置及彎曲過(guò)程示意圖如圖2所示，熱彎過(guò)程中絲桿驅(qū)動(dòng)底座推進(jìn)爐管前進(jìn)，前端主夾模夾緊爐管并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)，感應(yīng)線圈加熱局部區(qū)域使材料產(chǎn)生塑性變形而形成彎曲。在完成S彎曲段彎曲后，通過(guò)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)至U型段彎曲，彎管機(jī)在左右端均設(shè)置了旋轉(zhuǎn)軸與主、輔夾模，可以靈活調(diào)整彎曲的方向。此外，在彎曲加熱部位采用了紅外傳感實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加熱溫度，在超溫時(shí)可及時(shí)調(diào)整加熱線圈頻率，以便控制加熱溫度。實(shí)際彎管的立體管角度跨度較大，容易在彎曲過(guò)程中產(chǎn)生水平度超標(biāo)和回彈問(wèn)題情況，在彎曲超過(guò)90°后設(shè)計(jì)增加輔助夾?？捎行Э刂茝澢蠼嵌燃俺叽缇取?/p>

圖2 熱彎成型過(guò)程示意圖

3 熱彎受力狀態(tài)

根據(jù)立體彎管機(jī)的組成結(jié)構(gòu)，該文分析了彎曲過(guò)程中爐管受力狀態(tài)及塑性變形情況。受力狀態(tài)及塑變分析示意圖如圖3所示。

圖3 彎管受力及變形狀態(tài)分析圖

爐管末端受絲桿驅(qū)動(dòng)推進(jìn)力的作用，在旋轉(zhuǎn)夾模引導(dǎo)下與導(dǎo)輥產(chǎn)生作用力，由于導(dǎo)輥與爐管表面接觸，在前進(jìn)過(guò)程中將產(chǎn)生反方向摩擦力，夾模對(duì)塑變區(qū)形成彎矩結(jié)合剪切力及軸向力，在瞬時(shí)受力平衡狀態(tài)下，加熱區(qū)域在高溫低屈服強(qiáng)度下將產(chǎn)生彎曲變形。根據(jù)圖3可知，塑性彎曲變形外側(cè)受拉力作用，內(nèi)側(cè)受壓力作用，則外側(cè)壁厚降低，而內(nèi)側(cè)壁厚增加，以此滿足拉壓變形協(xié)調(diào)及材料連續(xù)性。

4 熱彎工藝設(shè)定

Cr25Ni35Nb+MA離心澆鑄爐管表面為楊梅粒子顆粒狀態(tài)，無(wú)法采用冷彎工藝制造。而采用中頻感應(yīng)加熱彎曲是最優(yōu)的選擇。中頻感應(yīng)熱彎工藝中的核心試溫度控制，感應(yīng)線圈選擇尤為重要，該文彎曲爐管規(guī)格為OD89×6M.S.W（最小密實(shí)層厚度），線圈與爐表面間距合理間隙應(yīng)在20 mm～30 mm，故選擇線圈直徑為110 mm，寬度15 mm，材質(zhì)為矩形銅管。

根據(jù)對(duì)Cr25Ni35Nb+MA爐管的高溫力學(xué)性能研究可知，溫度過(guò)高會(huì)明顯減低爐管的抗拉強(qiáng)度，極易產(chǎn)生彎曲斷裂，但溫度過(guò)低則影響延伸率，同樣容易產(chǎn)生裂紋。此外，推進(jìn)速率影響彎曲部位成型形狀，速度過(guò)快將容易產(chǎn)生褶皺問(wèn)題，過(guò)慢則導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。該文彎曲設(shè)定感應(yīng)加熱局部溫度為880℃～930℃，線圈加熱寬度為20mm～25mm，推進(jìn)速度為30mm/min～40mm/min，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)對(duì)線圈加熱以后的區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)冷卻，以便在彎曲成型后及時(shí)提高材料強(qiáng)度，避免裂紋的產(chǎn)生。選定試驗(yàn)彎管的彎曲半徑=925 mm，彎曲率/=14.2。

5 彎曲成型尺寸及質(zhì)量

5.1 外觀形狀

通過(guò)上述彎曲工藝進(jìn)行試驗(yàn)彎制，對(duì)立體彎管彎制過(guò)程及彎曲成品各角度視圖進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。彎曲后2段S型與1段U型集成為整體立體彎管形狀，彎曲部位過(guò)渡平滑，未發(fā)現(xiàn)褶皺變形問(wèn)題，U型管段彎曲半徑實(shí)測(cè)927mm，偏差+2 mm，S型段彎曲角度及兩端間距、偏轉(zhuǎn)角度均符合立體彎曲設(shè)定要求。

圖4 外觀形狀

5.2 成型后尺寸

Cr25Ni35Nb+MA試驗(yàn)爐管規(guī)格彎曲前實(shí)測(cè)均值為Φ89.5mm×6.5mm，在U型段和S型段選取6個(gè)截面（T1-T6）檢測(cè)外徑與壁厚，外徑檢測(cè)4個(gè)點(diǎn)，厚度8個(gè)點(diǎn)。壁厚分布規(guī)律如圖5所示，彎管最外側(cè)在180°處，減薄率最大為2.6%，最小厚度值6.33mm，大于最小密實(shí)層6mm要求。內(nèi)側(cè)0°點(diǎn)處壁厚增加，最大增厚率4.1%。彎曲內(nèi)側(cè)整體壁厚大于外側(cè)，該結(jié)果符合拉伸變形及擠壓變形規(guī)律。

圖5 不同截面厚度分布規(guī)律

彎管各截面外徑如圖6所示，在0°～180°方向外徑較小，在90°～270°方向外徑較大，兩個(gè)方向垂直產(chǎn)生橢圓度最大為1.7%，滿足爐管橢圓度小于8%要求。根據(jù)上述分析，立體管在指定工藝下彎曲成型后在壁厚減薄率及橢圓度變化上均能有效控制。各個(gè)截面的壁厚及外徑分布規(guī)律基本一致，其變形及減薄規(guī)律與彎曲受力分析結(jié)果一致，也驗(yàn)證了熱彎曲工藝在控制截面形狀變化與厚度減薄率上有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖6 不同截面直徑分布規(guī)律

5.3 無(wú)損檢測(cè)

中頻熱彎在不合理的彎曲溫度及加熱速率下，彎管外表面容易產(chǎn)生彎曲裂紋缺陷甚至斷裂，在上述彎曲工藝條件下，對(duì)立體彎管彎曲部位進(jìn)行著色滲透檢測(cè)，結(jié)果如圖7所示。在整個(gè)彎管外表面未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，在外表面也未見任何微裂紋缺陷。因此，驗(yàn)證上述彎曲工藝制造立體管質(zhì)量檢驗(yàn)滿足要求。

圖7 表面著色滲透檢測(cè)

6 結(jié)論

智能化立體彎管機(jī)通過(guò)精準(zhǔn)的彎曲旋轉(zhuǎn)角度控制及合理的彎曲工藝參數(shù)設(shè)定，能夠制造符合設(shè)計(jì)要求的Cr25Ni35Nb+MA無(wú)縫式立體彎管，在減少焊縫數(shù)量、提高安全性的同時(shí)可滿足彎管幾何尺寸要求及與表面質(zhì)量要求。通過(guò)觀察彎管在彎曲部位滲透檢測(cè)無(wú)裂紋缺陷的現(xiàn)象，可證明加熱溫度控制在930℃以內(nèi)能夠避免因溫度過(guò)高而產(chǎn)生的開裂問(wèn)題，推進(jìn)速度控制在40 mm/min以內(nèi)，可避免因金屬流動(dòng)不合理而產(chǎn)生的彎曲褶皺問(wèn)題。使用中頻感應(yīng)熱彎技術(shù)，能夠有效控制彎管外側(cè)受拉壁厚減薄率及截面橢圓度大小，使彎管幾何尺寸滿足設(shè)計(jì)使用要求。該文對(duì)無(wú)縫式立體彎管的研究結(jié)果可為裂解爐彎管的制造工藝提供實(shí)用參考價(jià)值，為彎管結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計(jì)提供新思路。