管壳式换热器整体焊后热处理变形的原因分析

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技术交流

石油和化工设备2018年第21卷

管壳式换热器整体焊后热处理变形的原因分析

和凯

（中海油石化工程有限公司， 山东 青岛 266101）

[摘 要] 本文针对管壳式换热器整体焊后热处理发生变形的现象，从管理角度及发生变形的根本原因进行分析，提出质量控制的建议及措施，确保换热器整体焊后热处理的质量。[关键词] 换热器；焊后热处理；变形；质量控制

作者简介：和凯（1985—），男，陕西人，西安石油大学毕业，

本科学历，中级职称。现在中海油石化工程有限公司工作。

管壳式换热器是给各类生产装置提供能量交换的设备，在石化行业中发挥着重要作用。管壳式换热器因设计参数的不同，可以采用不同的管壳式换热器类型，同时在选材方面也有很大的选择空间。

对于不同材质的管壳式换热器，在焊后热处理时要根据材质的特性、消除应力时所需的温度、是否采取防变形措施等因素选择热处理方案。焊后热处理的目的是消除焊接残余应力，改善焊缝及热影响区的性能。根据热处理方式的不同可分为：整体炉内焊后热处理、整体炉外焊后热处理、局部焊接热处理等多种方式。1 管壳式换热器焊后热处理

近年来，在工程建设领域的承包方式中，EPC 模式越来越常见，且业主可以将风险转移至EPC 承包商，但是EPC 承包商为了保证其工程的利润，通常在招标过程中，采用低价中标的原则选择制造商，经验丰富的制造商可以给工程保值，而管理不善、经验缺乏者就会给工程带来负担。某EPC 承包商应业主的要求，采用ASME 标准制造一台满足工艺要求及设计参数的换热器，一般情况下，EPC 承包商的设计方不直接对制造商出具设计、制造图纸，只提供设计参数，由制造商在合同工期内自主完成设计及制造过程，EPC 承包商只对其设计、制造过程的文件进行严格审查，确保满足工艺及质量要求。

制造商根据设计参数完成换热器的设计图纸，并交与EPC 承包商进行图纸审查，审查通过后制造商安排车间生产，由于采用ASME 标准，本次换热器的材质均为ASME 材质，主要热处理部件材

质如下：

(1)壳体材质、管箱材质、折流板材质均为：SA-516 70N ，属于中低温压力容器用钢板；

(2)管板材质为：SA-266，属于优质结构碳素钢；

(3)换热管材质为：SA-179，属于低碳无缝钢管。

制造商按照生产计划采购原材料并制造换热器，待所有焊接工艺结束后，消除换热器焊缝处的残余应力，对其实施焊后热处理，由于工期紧张，制造商给出的热处理工艺为整体热处理，同时此方案也通过了EPC 承包商的设计方认可，但是根据整体热处理方案实施后，壳程筒体鼓胀变形、管程扭曲、管板内凹变形，最终 EPC 承包商不接受变形的设备并要求重新制造。2 焊后热处理变形原因分析2.1 管理原因

EPC 承包商采用低价中标。一般情况下，EPC 承包商为了保证自己的利润，在定招标策略时，一般都会采用最低价中标原则。从理论上讲，低价中标是一种完美的评标方法，它可以最大限度地节约建设资金，使得招标人获得最大的投资收益，但在实践中，由于种种原因，最低价中标原则的应用往往走样，背离初衷。EPC 承包商前期在选择制造商时，就已经出现了制造水平参差不齐的现象，再加之市场竞争压力日趋严峻，很多制

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造商为了拿到国外的制造业绩，不惜利润代价，以成本价来获得本次机会，使得优质的制造商处于被淘汰的尴尬处境。

由于选择的制造商参差不齐，在经验和实力上都有欠缺，此时就应当加强对供应商的管理，充分发挥EPC承包商的管理作用。但是制造商将设计完成后的图纸及热处理工艺送交EPC承包商的设计人员进行审核时，由于设计人员的疏忽大意，未及时发现不同材质的换热器整体焊后热处理的问题，同时制造商提供的焊后整体热处理方案中，仅体现了温度及时间的变化，未对不同材质整体焊后热处理的防变形措施加以说明，由此可见，管理的缺失也是最终导致换热器整体焊后热处理变形的重要原因。

制造商为了保证在合同工期内准时交货，对于消除焊接残余应力的热处理方式选择了效率较高的整体焊后热处理方式，由于经验不足，未对不同材质换热器的整体焊后热处理采取一系列防变形措施，如控制温度、减小壳体和管束之间温度差，同时制造商为了节约能源，不按照严格的热处理工艺进行加热和保温，最终导致了换热器的整体焊后热处理变形。

2.2 根本原因

当管壳式换热器整体焊后热处理时，壳体第一时间接触热源，壁温受热比较快，内部换热管由于空气隔热的作用导致受热比较慢，在温度差的作用下，导致壳体的热膨胀量大于换热管，壳体的伸长量又受到换热管及内部附件的约束，使得换热管受到较大的拉应力，壳体受到较大的压应力，再加之为了增大换热效率，换热管采用了非对称排列结构，内部出现受力不均匀现象；

出炉空冷时，由于内层换热管冷却速率明显低于外层换热管，外层换热管又低于壳程壁温的冷却速率，使得应力状态与加热时正好相反，换热管受到较大的压应力并超过其临界值时发生轴向失稳，内部管板、折流板又对换热管有约束力，使得本来就受热不均匀、失稳的换热管发生挤压收缩、扭曲变形。

管板与换热管管头焊接，由于换热管受力不均匀，在换热管冷却收缩时，对管板内侧产生不均匀的拉应力，使得管板也产生不平衡的拉应力，最终出现内凹变形。因内部换热管及附件都已发生失稳变形，在不平衡的应力状态下，壳程最终出现鼓胀现象。

3 质量控制

从上述原因分析中可以看出，防止管壳式换热器整体焊后热处理变形的发生，需要层层把关，从招投标选择供应商、EPC承包商的管理以及制造商内部的管理等方面着手进行质量控制，才能确保制造质量，达到业主、EPC承包商、制造商“成本—效益”的统一。

(1)业主方应给EPC承包商合理的工程建设工期，合理的建设工期是保证工程建设质量的关键因素之一。

(2)EPC承包商在进行招投标时，尽量避免采用压缩工期、低价中标的原则进行定标，建议可以采用综合评标的原则来确保选择经验丰富的制造商，如果采用低价中标，应在招标前充分做足工作，如资格预审时应充分了解其生产经验、选择实力相当的供应商、招标文件应详尽、明确等。

(3)制造商应与EPC承包商充分沟通，对于EPC承包商审查制造商的设计文件等重要过程资料时，应充分发挥管理优势，担负起利益共同体的责任，严格把关。

(4)管壳式换热器在进行整体焊后热处理时，应充分论证，做好内部防变形措施，尤其是冷却时应控制温差，减小由于温差导致的应力不平衡。

(5)管壳式换热器在整体焊后热处理时推荐以下步骤：

①壳程筒体组焊完毕后，壳程筒体应先进行消除应力热处理；

②壳程筒体与管板、管板与换热管组焊完毕后，管头及壳程筒体与管板相焊的焊接接头采用电加热方法进行局部消除应力热处理，可以防止换热管发生应力失稳而变形。

◆参考文献

[1] GB150-2011，压力容器[S].

[2] GB/T 151-2014，热交换器[S].

[3] 宋天民编著. 焊接残余应力的产生于与消除[M].北京：中国石化出版社，2006.

收稿日期：2018-01-30；修回日期：2018-03-15

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