Cr25Ni35Nb+MA炉管立体弯曲制造技术研究

江 克 李勤兵

（1.巢湖学院机械工程学院，安徽 合肥 238000；2.江苏勤业石化装备有限公司，江苏 靖江 214500）

0 引言

近年来，随着国内外对乙烯需求的增长，其工艺设计及制造技术发展迅速，目前国内已完全自主掌握乙烯成套工艺技术，中石化与中石油均大力发展各自乙烯工艺，其中最核心的是乙烯裂解炉辐射段管系的工艺设计及制造工艺研发。以往乙烯裂解炉辐射段管系采用静态铸件与离心炉管进行组队焊接形成乙烯裂解反应回路，由于静态铸造管件与离心铸造管组织密实性的区别，导致其组对焊缝性能不稳定，容易在高温下产生失效问题。最近几年中，石化SEI与中石油寰球设计院均研发各自专利炉型，设计使用U型与S型弯管作为辐射段管系中离心炉管的重要连接件。由于U型与S型弯管同样采用离心铸造炉管弯曲制造，一定程度上提升了焊缝性能稳定性，但其组对焊缝的整体性能依然低于母材。为进一步提升设备长周期运行安全性，取消U型与S型的组对焊缝，设计制造整体无焊缝式立体弯管对提升乙烯裂解炉的安全性有重大意义。

1 无缝立体弯管

Cr25Ni35Nb+MA属于耐高温合金材料，通过离心铸造制造的钢管由于耐高温性能良好、持久强度高、抗渗碳能力强以及表面杨梅粒子增强换热强度等特点，普遍应用于乙烯裂解炉辐射段管系。目前常用的弯管制造方案是以Cr25Ni35Nb+MA离心铸造管作为原料管，分别弯曲平面型U型管与S型管，采用1件U型管+2件S型管组装方式，通过组对角度的调整与焊接连接方式制造成有焊缝式立体形状的弯管，如图1所示，再与直管段进行组对形成一组回路。根据乙烯裂解反应的工艺特性，裂解炉辐射段管系在弯管处反应温度一般比较高，炉管壁温最高达1150 ℃，过多的组对焊缝往往是薄弱环节，容易出现泄露及断裂失效问题。设计减少U型管与S型管的组对焊缝，采用整体无焊缝式立体弯管取代组对焊接弯管，将能够有效降低裂解炉辐射段管系失效发生率。由于现有很多弯管制造企业的弯制设备比较陈旧，采用液压方式控制弯曲，需要通过人为经验控制平面弯管的弯曲制造，无法实现精准控制及立体弯制作业。因此通过设计数控精度高的智能立体弯管机，可实现该文研究的整体无焊缝的立体弯管制造，其最大特点是将U型与S型集成为整根立体弯管，减少了U型与S型组对的2道焊缝。

图1 弯管组成形式

2 感应热弯装置

智能立体弯管机采用中频加热进行弯曲制造。其最大的优点是可以通过PLC控制伺服电机进行旋转角度设置，能够较准确地控制弯曲过程中立体角度与弯曲角度的调控，在到达设定角度后，将自动停止加热与弯曲，并按程序设定继续进入下一步弯曲过程。热弯装置及弯曲过程示意图如图2所示，热弯过程中丝杆驱动底座推进炉管前进，前端主夹模夹紧炉管并进行旋转引导，感应线圈加热局部区域使材料产生塑性变形而形成弯曲。在完成S弯曲段弯曲后，通过伺服电机旋转至U型段弯曲，弯管机在左右端均设置了旋转轴与主、辅夹模，可以灵活调整弯曲的方向。此外，在弯曲加热部位采用了红外传感实时监测加热温度，在超温时可及时调整加热线圈频率，以便控制加热温度。实际弯管的立体管角度跨度较大，容易在弯曲过程中产生水平度超标和回弹问题情况，在弯曲超过90°后设计增加辅助夹模可有效控制弯曲后角度及尺寸精度。

图2 热弯成型过程示意图

3 热弯受力状态

根据立体弯管机的组成结构，该文分析了弯曲过程中炉管受力状态及塑性变形情况。受力状态及塑变分析示意图如图3所示。

图3 弯管受力及变形状态分析图

炉管末端受丝杆驱动推进力的作用，在旋转夹模引导下与导辊产生作用力，由于导辊与炉管表面接触，在前进过程中将产生反方向摩擦力，夹模对塑变区形成弯矩结合剪切力及轴向力，在瞬时受力平衡状态下，加热区域在高温低屈服强度下将产生弯曲变形。根据图3可知，塑性弯曲变形外侧受拉力作用，内侧受压力作用，则外侧壁厚降低，而内侧壁厚增加，以此满足拉压变形协调及材料连续性。

4 热弯工艺设定

Cr25Ni35Nb+MA离心浇铸炉管表面为杨梅粒子颗粒状态，无法采用冷弯工艺制造。而采用中频感应加热弯曲是最优的选择。中频感应热弯工艺中的核心试温度控制，感应线圈选择尤为重要，该文弯曲炉管规格为OD89×6M.S.W（最小密实层厚度），线圈与炉表面间距合理间隙应在20 mm～30 mm，故选择线圈直径为110 mm，宽度15 mm，材质为矩形铜管。

根据对Cr25Ni35Nb+MA炉管的高温力学性能研究可知，温度过高会明显减低炉管的抗拉强度，极易产生弯曲断裂，但温度过低则影响延伸率，同样容易产生裂纹。此外，推进速率影响弯曲部位成型形状，速度过快将容易产生褶皱问题，过慢则导致生产效率低下。该文弯曲设定感应加热局部温度为880℃～930℃，线圈加热宽度为20mm～25mm，推进速度为30mm/min～40mm/min，通过鼓风机对线圈加热以后的区域进行强风冷却，以便在弯曲成型后及时提高材料强度，避免裂纹的产生。选定试验弯管的弯曲半径=925 mm，弯曲率/=14.2。

5 弯曲成型尺寸及质量

5.1 外观形状

通过上述弯曲工艺进行试验弯制，对立体弯管弯制过程及弯曲成品各角度视图进行观察，结果如图4所示。弯曲后2段S型与1段U型集成为整体立体弯管形状，弯曲部位过渡平滑，未发现褶皱变形问题，U型管段弯曲半径实测927mm，偏差+2 mm，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。

图4 外观形状

5.2 成型后尺寸

Cr25Ni35Nb+MA试验炉管规格弯曲前实测均值为Φ89.5mm×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。壁厚分布规律如图5所示，弯管最外侧在180°处，减薄率最大为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。

图5 不同截面厚度分布规律

弯管各截面外径如图6所示，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。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。各个截面的壁厚及外径分布规律基本一致，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。

图6 不同截面直径分布规律

5.3 无损检测

中频热弯在不合理的弯曲温度及加热速率下，弯管外表面容易产生弯曲裂纹缺陷甚至断裂，在上述弯曲工艺条件下，对立体弯管弯曲部位进行着色渗透检测，结果如图7所示。在整个弯管外表面未发现任何缺陷，在外表面也未见任何微裂纹缺陷。因此，验证上述弯曲工艺制造立体管质量检验满足要求。

图7 表面着色渗透检测

6 结论

智能化立体弯管机通过精准的弯曲旋转角度控制及合理的弯曲工艺参数设定，能够制造符合设计要求的Cr25Ni35Nb+MA无缝式立体弯管，在减少焊缝数量、提高安全性的同时可满足弯管几何尺寸要求及与表面质量要求。通过观察弯管在弯曲部位渗透检测无裂纹缺陷的现象，可证明加热温度控制在930℃以内能够避免因温度过高而产生的开裂问题，推进速度控制在40 mm/min以内，可避免因金属流动不合理而产生的弯曲褶皱问题。使用中频感应热弯技术，能够有效控制弯管外侧受拉壁厚减薄率及截面椭圆度大小，使弯管几何尺寸满足设计使用要求。该文对无缝式立体弯管的研究结果可为裂解炉弯管的制造工艺提供实用参考价值，为弯管结构形状的设计提供新思路。