0Cr18Ni9Ti熱交換器熱處理工工藝

1、遼寧匚業(yè)大學材料工藝學 課程設計（論文）題目：0Cr18Ni9Ti不銹鋼熱交換器熱處理工藝院（系）：材料科學與工程學院專業(yè)班級:材料093吳法唐立丹090208078學生姓名: 指導教師:起止時間:2012-7-22012-7-13課程設計（論文）任務及評語院（系）：材料科學與工程學院教研室：材料科學與工程教研室090208078學生姓名吳法專業(yè)班級材料093課程設計（論文）題 目0Cr18Ni9Ti熱交換器熱處理工藝一、課設要求熟悉設計題目，查閱相關文獻資料，概述相關零件的熱處理工藝，進行換熱 器的服役條件與失效形式分析，提出硬度、耐磨性、強度等要求。完成工藝設計。 闡述0Cr18Ni9Ti

2、淬火、回火熱處理工藝理論基礎，選擇設備和工夾具，闡述主 軸熱處理質量檢驗項目、內容及要求；闡明熱交換器熱處理常見缺陷的預防及補 救方法；給出所用參考文獻。二、課設任務熱交換器材料的選擇（要求在滿足工件使用性能的前提下，兼顧經濟性和工藝性，合理選擇材料）；給出0Cr18Ni9Ti的C曲線；給出0Cr18Ni9Ti熱交換器熱加工工藝流程圖；制定0Cr18Ni9Ti熱交換器熱處理工藝。三、設計說明書要求設計說明書包括三部分：1）概述；2） 工藝設計；3）參考文獻。設計說明 書結構見工藝設計模板。集中學習0.5天，資料查閱與學習，討論1.5天，設計7天：1）概述0.5天, 2）服役條件與性能要求0.5

3、天，3）失效形式、材料的選擇0.5天，4）結構形狀 與熱處理工藝性0.5天，5）冷熱加工工序安排0.5天，6）工藝流程圖0.5天，7） 熱處理工藝設計2天，8） 工藝的理論基礎、原則0.5天，9）設計工夾具0.5天, 10）可能出現的問題分析及防止措施 0.5天，11）熱處理質量分析0.5天，設計 驗收1天。成績:指導教師簽字:遼寧工業(yè)大學課程設計說明書（論文） 10金屬熱處理是將固態(tài)金屬（包括純金屬和合金）通過特定的加熱和冷卻方法，使之獲 得工程技術上所需性能的一種工藝過程總稱。熱處理之所以能獲得這樣的效果，是因為固 態(tài)金屬在溫度（也包括壓力）改變時，其組織和結構也會發(fā)生變化，如能根據其變化

4、規(guī)律, 采取特定的加熱與冷卻方法，控制相變過程，便可獲得所需的組織、結構和性能退火、控制氣金屬熱處理分為普通熱處理、表面熱處理和其它熱處理。普通熱處理又分為: 正火、淬火和回火；表面熱處理分為：表面淬化和化學熱處理；其他熱處理包括: 氛熱處理、真空熱處理、形變熱處理和激光熱處理。換熱器，又稱熱交換器，是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生 產中占有重要地位。由于生產規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類 型也是多種多樣。按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據冷、熱流體熱量 交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。工業(yè)上最常見的換熱

5、器是間壁式換熱器。根據結構特點，間壁式換熱器可以分為管殼 式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的 換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設備，在許多工業(yè)部門被大量采 用。列管式換熱器的特點是結構牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成 熟，選材范圍廣泛，適應性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設備的競相發(fā)展中得 以繼續(xù)存在下來。使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體 內。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要

6、有固定管板式、帶膨 脹節(jié)的固定管板式、浮頭式和 U形管式等幾種類型。本設計是在課堂學習熱處理知識后的探索和嘗試，其內容討論如何設計熱交換器的熱 處理工藝，重點是制定合理的熱處理規(guī)程，并按此設計換熱器的熱處理方法。1 0Cr18Ni9Ti鋼列管式熱交換器熱處理工藝概述2熱交換器服役條件及失效形式分析 2.1換熱器的服役條件、失效形式22.2列管式換熱器材料選擇 2.3換熱器0Cr18Ni9Ti鋼的C曲線2.4 0Cr18Ni9Ti鋼換熱器加工工藝流程圖 2.5工藝曲線圖2.6闡述0Cr18Ni9Ti熱處理工藝理論2.6.1固溶處理工藝原理2.6.2 穩(wěn)定化退火工藝原理 2.6.3除應力處理理論及

7、原則 2.7選擇設備、儀表和工夾具 2.7.1設備2.7.2儀表0Cr18Ni9Ti鋼質量檢驗項目、內容及要求 0Cr18Ni9Ti鋼處理常見缺陷的預防及補救方法 2.9.1換熱器經過一段時間的運行后出現出氣溫度提高的現象2.9.2法蘭連接處發(fā)生泄露2.9.3現場拆裝后進行水壓試驗時出現滲漏 2.9.4管束振動3.5.6.6.7.8.8.8.9.9.91010.11參考文獻1.2遼寧工業(yè)大學課程設計說明書（論文） 1 0Cr18Ni9Ti鋼列管式熱交換器熱處理工藝概述列管式換熱器是目前化工及酒精生產上應用最廣的一種換熱器。 它主要由殼體、管板、 換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質，可分別采

8、用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管 流出，這稱之管程；另一種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為 殼程列管式換熱器。所以要求其材料具有很好的耐腐蝕性。而0Cr18Ni9Ti經過適當的熱處理后，能滿足換熱器的使用性能和具有良好的使用壽命。0Cr18Ni9Ti是一種奧氏體不銹鋼，具有穩(wěn)定的奧氏體組織，且具有很好的耐腐蝕性。 它無磁性，而且具有很高的塑性和韌性，但強度較低，不可能通過相變使之強化，僅能通 過冷加工進行強化。由于采用生產特殊鋼的常規(guī)手段就可以順利地生產出各種常用規(guī)格的 板、管、帶、絲、棒材以及鍛件

9、和鑄件，所以曾被十分廣泛的應用。對于0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的熱處理先經過去應力退火，為了消除冷加工變形后的內應力，以避免以后在使用過程中發(fā)生應力腐蝕破壞。然后進行固溶處理和穩(wěn)定化處理， 從而消除鋼的晶間腐蝕傾向，以避免在使用過程中發(fā)生晶間腐蝕破壞；可獲得單一均勻的 孿晶奧氏體組織，提高材料的均勻性和耐蝕性；改善鋼的原始奧氏體晶粒度，提高材料的 力學性能；消除鋼的冷加工變形組織，降低材料的硬度，恢復材料的塑性，有利于材料的 機械加工2。通過對0Cr18Ni9Ti鋼換熱器熱處理工藝熱處理工藝的分析，更加明確在執(zhí)行熱處理工藝過程中所需要注意的問題。能夠正確確定加熱溫度、時間，保溫時間，冷卻

10、方式， 其目的就是通過正確的熱處理工藝，使金屬材料的潛在能力得到充分的發(fā)揮。根據換熱器的工作條件、失效形式及性能要求，選擇 0Cr18Ni9Ti作為換熱器材料, 在設計熱處理工藝中，本設計借鑒了材料科學與工程專業(yè)實驗教程和不銹鋼及其 熱處理等。根據工藝設計的理論基礎設定了完整的熱處理工藝流程，使熱處理后的換 熱器具有高的耐腐蝕性，從而滿足換熱器的質量要求。2熱交換器服役條件及失效形式分析2.1換熱器的服役條件、失效形式一、服役條件200-300r）、高爐爐氣、需要冷卻的化學反應工藝氣（300-1000C）等余熱。圖1為浮頭式 2為列管式換熱器實物圖。在工業(yè)生產中，換熱器的作用主要是使熱量由溫度

11、較高的流體傳遞給溫度較低的流 體，使流體的溫度達到工藝過程規(guī)定的指標，一滿足工藝上的需求。此外，換熱器也是 回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如煙道氣（約 壓力蒸汽（500r） 換熱器剖面圖，圖Tii圖1浮頭式換熱器剖面圖I.圖2列管式換熱器實物圖二、失效形式由于服役條件的原因，除了人為操作原因，換熱器很少出現疲勞磨損開裂、變形等 問題。換熱器滲漏是換熱器使用中最為常見的失效形式，滲漏主要是腐蝕造成的，少部 分是由于換熱器選型和換熱器本身的制造工藝缺陷，列管式換熱器的腐蝕形式基本有兩 種：電化學腐蝕和化學腐蝕。列管式換熱器在制作時，管板與列管的焊接一般采用手工 電弧焊，焊縫形狀存在不同

12、程度的缺陷，如凹陷、氣孔、夾渣等，焊縫應力的分布也不 均勻。使用時管板部分一般與工業(yè)冷卻水接觸，而工業(yè)冷卻水中的雜質、鹽類、氣體、 微生物都會構成對管板和焊縫的腐蝕。這就是我們常說的電化學腐蝕。研究表明，工業(yè) 水無論是淡水還是海水，都會有各種離子和溶解的氧氣，其中氯離子和氧的濃度變化， 對金屬的腐蝕形狀起重要作用。另外，金屬結構的復雜程度也會影響腐蝕形態(tài)。因此， 管板與列管焊縫的腐蝕以孔蝕和縫隙腐蝕為主。從外觀看，管板表面會有許多腐蝕產物 和積沉物，分布著大小不等的凹坑。以海水為介質時，還會產生電偶腐蝕?；瘜W腐蝕就 是介質的腐蝕，換熱器管板接觸各種各樣的化學介質， 就會受到化學介質的腐蝕。另外

13、, 換熱器管板還會與換熱管之間產生一定的雙金屬腐蝕。一些管板還長期處于腐蝕介質的 沖蝕中。尤其是固定管板式換熱器，還有溫差應力，管板與換熱管聯接處極易泄漏，導致 換熱器失效。綜上所述，影響換熱器管板腐蝕的主要因素有：1、介質成分和濃度：濃度的影響不一，例如在鹽酸中，一般濃度越大腐蝕越嚴重。碳鋼和不銹鋼在濃度為50%左右的硫酸中腐蝕最嚴重，而當濃度增加到 60%以上時，腐 蝕反而急劇下降；2、雜質：有害雜質包括氯離子、硫離子、氰離子、氨離子等，這些雜質在某些情 況下會引起嚴重腐蝕3、 溫度：腐蝕是一種化學反應，溫度每提升10C，腐蝕速度約增加13倍，但也 有例外；4、ph值：一般ph值越小，金屬

14、的腐蝕越大；5、流速：多數情況下流速越大，腐蝕也越大 。2.2列管式換熱器材料選擇列管式換熱器的材料應該根據操作壓強，溫度流體的腐蝕性來選用。目前常用的金 屬材料有碳鋼，不銹鋼，低合金鋼等。下面來做一些比較。碳鋼價格低廉，可以很好的控制換熱器的成本問題，而且工藝性能（如焊接性和冷 成形性）優(yōu)良，但是耐蝕性不佳。低合金鋼與碳鋼相比，強度方面有了比較大的提升，但是成形能力不如碳素鋼。不銹鋼不易產生腐蝕、點蝕、銹蝕或磨損。不銹鋼還是建筑用金屬材料中強度最高 的材料之一。由于其具有良好的耐蝕性，所以它能使結構部件永久的保持工程設計的完 整性。含鉻不銹鋼還集機械強度和高延伸性與一身，易于部件的加工制造，

15、可滿足大部 分人的需要。本次課程設計選擇的是不銹鋼，鋼號為 0Cr18Ni9Ti。0Cr18Ni9Ti為奧氏體不銹鋼，含有抗晶間腐蝕的鈦，由較好的抗晶間腐蝕性能及冷 加工沖壓性能，對氧化性酸由很好的抗腐蝕性，對堿溶液及大部分有機酸和無機酸也有 一定的抗腐蝕能力?；瘜W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換熱器0Cr18Ni9Ti鋼的C曲線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牒腮姍 lllll iBillllli ini iillHillin iO 耐ioVrTo*圖3 0Cr18Ni9Ti鋼的C曲線2.4 0Cr18Ni9Ti鋼換熱器加工工藝流程圖根據熱交換器的工作條件及失效形式，擬定的技術路線如下:備料劃線f切割f邊緣加工（探傷）f成型組對f焊接f焊接質量檢驗f組裝焊接f 退火（除應力處理-固溶處理-穩(wěn)定化退火）-壓力試驗。2.5工藝曲線圖圖4 0Cr18Ni9Ti除應力處理及固溶處理工藝曲線緩慢加熱到400C（以減少內應力），然后快

17、速加熱到900r，再加熱到1050C, 保溫0.5h,最后快冷至350Co加熱到900C后保溫3h，然后空冷。2.6闡述0Cr18Ni9Ti熱處理工藝理論5261固溶處理工藝原理1600液體（L）1400S+TT1200IOOOy+ffift 物C)600wL+5 t+S + 了400r+a+C2000*0.20.40,60.81J0圖6 18Cr-8Ni鋼斷面狀態(tài)圖從圖6可知，18Cr-8Ni型鋼，在1200E時碳的溶解度約為0.34%,在1000E約為0.18%, 而該鋼好含碳量一般都在0.08%以下，因此，在1000E以上時碳全部溶于奧氏體中。而在 600E時，碳的溶解度約為0.03%，

18、常溫時更少，所以，從較高溫度緩慢冷卻下來時，碳便 會以碳化物形式析出。碳原子的原子半徑小，超過固溶極限的碳不能存在于奧氏體晶粒中， 便會沿晶粒界析出，這部分碳是不穩(wěn)定的，只能與周圍基體的鉻形成穩(wěn)定的碳化鉻 Cr23C6 保存下來，因為碳化鉻含有一部分鐵，所以這種碳化物就記成（FeCr） 23C6。按重量百分比，碳約與10倍的鉻生成碳化物，因而奧氏體晶粒界處便會由于碳與鉻的析出形成貧鉻 區(qū)。另一方面，由于鉻的原子比較大，它不能很快的通過擴散方式擴散到貧鉻區(qū)去，使貧 鉻區(qū)得以保存下來。由于含鉻量達不到標準，當材料在腐蝕條件下，這個位置首先受到腐 蝕。及晶界腐蝕。所以為保證不銹鋼的耐蝕性，特別是耐晶

19、間腐蝕，就要將已從奧氏體中 析出，并在奧氏體晶粒界中造成貧鉻現象的（FeCr） 23C6重新溶解到奧氏體中去，即加熱 到一定溫度快速冷卻下來，讓碳較穩(wěn)定的保留在奧氏體中而不能析出，這就是所說的固溶 話熱處理，也是奧氏體不銹鋼最主要的熱處理。一般奧氏體組織固溶處理溫度在1050 1150C。含碳量高取上限，含碳量底取下限。 固溶處理后的力學性能與固溶處理溫度由直接關系，溫度越高，時間越長，硬度越低。 所以0Cr18Ni9Ti不銹鋼的處理溫度以1050E為宜。奧氏體不銹鋼固溶處理時間應該盡量短，因為這種鋼在900C左右再結晶，倒1050C很快使碳化物固溶，薄壁管的保溫時間要短，厚壁管的保溫時間可以

20、稍長些。要避免在高 溫長時間保存，避免過熱，否則會引起表面粗糙，還會造成晶粒粗大和出現大量鐵素體。 保溫時間應該控制在30min左右。262穩(wěn)定化退火工藝原理為了達到奧氏體不銹鋼穩(wěn)定化的目的，使鋼中的碳盡量形成TiC，穩(wěn)定化熱處理溫度的選擇很重要。這個溫度的選擇原則應該是略高于（FeCr）23C6的溶解溫度（400825E） 低于或略高于TiC的開始溶解溫度（TiC的溶解溫度區(qū)間為750 1120E），在這個加熱 溫度區(qū)間內，可以使（FeCr） 23C6很好的溶解，而TiC很少或幾乎不溶解。由于鈦與碳的 親和力大于鉻與碳的親和力。使得從（FeCr） 23C6中分解出來的碳會與鋼中的鈦形成新的

21、TiC。如圖7所示。圖7碳化物在18-8鋼中的溶解度與溫度的關系而從（FeCr） 23C6分解出來的鉻重新融入奧氏體中。 所以含鈦的奧氏體不銹鋼穩(wěn)定化 熱處理加熱溫度一般推薦為850930C。實驗證明，含鈦奧氏體不銹鋼在這個溫度區(qū)間 內進行穩(wěn)定化處理后，耐晶間腐蝕性能最好。如圖 8所示：遼寧工業(yè)大學課程設計說明書（論文） 遼寧工業(yè)大學課程設計說明書(論文) 60C1000圖8穩(wěn)定化處理溫度1400TiC在900r約1小時便可充分形成，因為穩(wěn)定化處理包括(FeCr) 23C6的溶解，TiC 的形成，鉻的固溶等過程，所以工件到溫后，保溫時間最少不能少于2小時，在實際生產中，保溫24小時即可，當然，

22、過大的零件應延長保溫時間。在燒透后，保溫時間不少 于2小時。如果鋼中含碳量較高或含鈦量較低時，應盡量延長保溫時間。不銹鋼的穩(wěn)定化處理的冷卻方式和冷卻速度對穩(wěn)定化效果沒有多大影響。所以為保證形狀復雜工件的變形或工件的應力保持最小，可采用較小的冷卻速度，如空冷或爐冷。263除應力處理理論及原則確定奧氏體不銹鋼消除應力處理工藝方法，應根據材質類型、使用環(huán)境、消除應力的 目的及工件的形狀尺寸等情況，注意掌握一些原則。由于0Cr18Ni9Ti含有穩(wěn)定化元素的作用，使它在固溶處理加熱溫度以下的溫度區(qū)間加 熱和冷卻，都基本上保證消除一定應力的同時，不產生其他不利作用。所以，它們消除應 力處理工藝的選擇范圍寬

23、，不受更多限制。2.7選擇設備、儀表和工夾具 同2.7.1設備退火爐為主要的設備。分為周期式和連續(xù)式兩類。周期式有室狀爐(臺車式爐)和 罩式爐(BL)，連續(xù)式有臥式爐(懸垂式爐，包括：AP(H)、AP(I)、AP(C)等，輥式爐) 和立式爐(BA等)。鋼材在周期式爐中的位置固定，而在連續(xù)式爐內是連續(xù)運行的。 0Cr18Ni9Ti為奧氏體不銹鋼，在熱軋后應選擇 AP (H),冷軋后可選擇AP(I)或AP(C)， BA等連續(xù)爐。選用的的退火爐如圖 9所示。-t-圖9罩式退火爐結構示意圖2.7.2儀表選擇WRQ型鉑銠-鉑熱電偶，其工作范圍為01600C。2.8 0Cr18Ni9Ti鋼質量檢驗項目、內

24、容及要求2.8.1質檢內容設備制造過程中的檢驗，包括原材料的檢驗、工序間的檢驗及壓力試驗，具體內容 如下：1、原材料和設備零件尺寸和幾何形狀的檢驗；2、原材料和焊縫的化學成分分析、力學性能分析試驗、金相組織檢驗，總稱為破壞試驗;3、原材料和焊縫內部缺陷的檢驗，其檢驗方法是無損檢測，它包括：射線檢驗、超聲波 檢測、磁粉檢測、滲透檢測等；4、設備試壓，包括：水壓試驗、介質試驗、氣密試驗等。耐壓試驗和氣密性試驗：制造完工的換熱器應對換熱器管板的連接接頭，管程和殼程進行耐壓試驗或增加氣密性 試驗，耐壓試驗包括水壓試驗和氣壓試驗。換熱器一般進行水壓試驗，但由于結構或支 撐原因，不能充灌液體或運行條件不允

25、許殘留試驗液體時，可采用氣壓試驗。9如果介質毒性為極度，高度危害或管、殼程之間不允許有微量泄漏時，必須增加氣密性 試驗。2.9 0Cr18Ni9Ti鋼處理常見缺陷的預防及補救方法2.9.1換熱器經過一段時間的運行后出現出氣溫度提高的現象 產生的原因及處理方法：1、換熱面結垢，影響傳熱效率。因水質臟、水的硬度大或氣側介質中有油污、灰垢等， 經運行一段時間，將換熱面污染，影響傳染效果。應根據污垢的性質采用有效的除垢方 法，如采用機械清洗、高壓水清洗、化學試劑清洗等方法，定期進行管內外部的清洗。2、氣側密封處泄露，氣流短路。氣體沒有完全通過管束與冷卻水換熱， 有部分氣體由短 路處直接流到出氣口，造成

26、出口溫度升高。應將管束抽出，檢查密封件安裝是否正確，密封件的性能是否可靠。若密封件失效，應及時更換。若密封件安裝有問題，應重新安 裝、調整。3、冷卻水短路。應檢查水箱密封填料安裝是否正確，材質性能是否可靠。（同上）4、機組出氣溫度過高，使得冷卻器進口溫度超過設計值，冷卻能力不夠造成。5、冷卻水壓差過低，造成冷卻水流量不足，冷卻能力下降。6、冷卻水進口溫度高于設計值、水質臟，與設計狀態(tài)不符造成。應對冷卻水進行處理， 滿足技術協議要求。7、壓縮機增容，氣體總流量超過設計值。8檢查校驗冷卻器出口測溫元件的準確性。292法蘭連接處發(fā)生泄露產生的原因及處理方法：1、密封面變形、損傷。應根據變形損傷程度，采用研磨或車削后研磨的方法加以修復。2、墊片變形、失效。應及時更換墊片。3、管子和管板的連接接頭處開焊或開脹，連接失效。造成的原因：（1）、接頭因高溫應力松弛而失效；（2）、接頭在高溫高壓下因腐蝕而破壞；（3）、管束在流體沖擊下產生振動，使接頭疲勞破壞；（4）、制造工藝不合理，接頭中焊接殘余應力過大，在操作中引起應力腐蝕和疲勞破壞；（5）、操作不當，溫度波動，引起疲勞破壞。發(fā)生此情況時，有條件應對連