油浆换热器管板材质16Mn的疲劳性能测试与分析

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摘要:本文介绍了油浆换热器的几何形状和结构原理，及油浆换热器在化工装置中的作用，说明了换热器正朝着提高设备紧凑性、降低材料消耗、提高传热效率，降低流体阻力，保证互换性，增加操作弹性以及通过减少污垢堵塞和便于除垢来减少操作事故等方面发展。分析了油浆换热器管板开裂的原因及其重要性。通过高温低周实验，采用实验研究与理论分析相结合的研究方法对油浆换热器进行交变载荷情况下的工作的油浆换热器进行实验测试和性能分析。在实验过程中，由于在高温下金属材料的受力表现出其独特性能，而油浆换热器管板在高温交变载荷情况下工作，得到油浆换热器在不同载荷下的实验数据，结合经典的换热器研究理论对这些实验数据进行处理和分析，得出结论。

关键词：油浆换热器，疲劳性能，金属材料

中图分类号：C35文献标识码： A

1 前言

换热器是非常重要的冷换设备，几乎在所有的工业领域中都有应用，尤其广泛应用于化工、石油、机械、制冷、冶金、能源、交通、动力、医药及航天航空等行业。

2 油浆换热器的工艺流程和工况条件

2.1 油浆换热器的工况条件

该油浆换热器为1壳程4管程，设备类别为二类，设备号为H-205／l－2，取样为H－205／2：

设计压力：管程/2.5MPa，壳程/6.4MPa

设计温度：管程/370℃，壳程/500℃

操作温度：管程/320℃，壳程/150℃

操作压力：管程/1.0MPa，壳程/1.5MPa

材质：管程16mn, 壳程20#

管板的直径为1.5m管板厚220mm,管板与管子的连接采用胀接。油的流量通过自动阀控制，水的流量通过液面控制，液面高度保持不变，约占整个换热器的4/5左右。

2.2 油浆换热器的工艺流程

喷雾干燥：流程见图2-2。喷雾干燥空气炉中加热到700℃ 的高温空气在喷雾塔与喷雾成型的催化剂胶浆接触，迅速干燥，干燥后的成型催化剂由喷雾塔底排出进人下一工序，而200℃ 的喷雾尾气经流量控制部分循环回喷雾干燥空气炉作其二次风，另一部分尾气通过热管换热器与进口处的冷空气换热后排空。

气流干燥：流程见图2-3。气流干燥空气炉中加热到700℃ 的高温空气在气流干燥塔与催化剂胶浆接触，迅速干燥，干燥后经旋风分离器分离，200℃ 的气流干燥尾气经流量调节后，部分循环回气流干燥空气炉作其二次风[10]，降低冷空气量，另一部分尾气通过热管换热器与进口处的冷空气换热后排空。

图2-2 气流干燥改造前流程

图2-3 气流干燥改造后流程

3 高温（350℃）低周疲劳实验

由于在高温下金属材料的受力表现出其独特性能，而油浆换热器管板在高温交变载荷情况下工作，因此有必要对该管板试样进行高温低周疲劳实验，以了解其在高温下的各性能指标。

3.1 试样制备和试验程序

3.1.1 试样的制备

试验材料全部来自锦州炼油厂发生过管板开裂的油浆换热器的管板16Mn 锻件，它的材质化学成分是委托辽宁省特殊钢质量监督检验站进行分析的，结果如下：

表3-1 16Mn材料化学成分 (wt%)

材料 C Si Mn S P

16Mn 0.15 0.395 1.53 0.016 0.019

其力学性能参数如表3-2，在室温20 ℃ 和350 ℃下，由MTS― 880拉伸试样得出。

试样形状及尺寸根据GB3075-82轴向疲劳试样，采用其光滑圆柱疲劳试样。其试样图及尺寸如图3-2。且为螺纹夹持的光滑圆棒试样。

本实验所用的设备是由美国引进的MTS880(材料测试系统的英文缩写)型液压司服材料试验系统，该系统由负荷机架(既主机)，电气控制台和液压动力源三大部分组成,主机和电气控制台[11]。试验机的基本原理为采用伺服闭环控制系统进行应力(或应变)和温度等的自动调节控制以及对试验数据的自动处理，可将试验结果储存

表3-2 16Mn材料力学性能

材料 温度

(℃) 抗拉

强度bMPa 屈服强度sMPa 伸长率% 截面收缩率% ak 冲击韧性2 弹性模量E (MPa) 柏松比

16Mn 20 514 328 30 64 58.6 2.1×105 0.3

16Mn 350 478 212 17 54 － 1.90×105 0.3

GB6654-1996

标准 热轧控轧正火

350 450-580 ≥170 23-28

并能随时调出。该机功能齐全，精度较高,温度可控制在 1，应变误差可以控制在 0.0001 ,应力控制在 0.001 以内。

3.1.2 试验参数的确定、试验过程及数据记录

载荷的控制方式:采用应力控制。由于在中温350℃环境下，高温夹式引申计极期客易损坏，影响正常试样；且在中温下，实际零部件的基本上都是在载荷控制下进行实验。本实验机能自动控制应力载荷，精度较高。故采用应力控制方法。

应力比及波形：采用R=-1的对称正循环波，m＝0

图3-2 应力比及波形

应力水平：控制应力在s（ s 为350℃下的16Mn钢的屈服强度）

载波频率：f=2HZT==0.5s

温度：350℃，在密闭电热保温箱中加热约半小时至350℃保温。用了三根电藕分别测量试件标距（L=25mm）内上，中。下三点温度，且进行闭环控制。由温度控制台来控制。升温步骤.先将温度分为几档，每档50℃．最后两档分别为30℃和20℃，升温至350℃，温度控制在±1℃，保温约半个小时，目的是消除热惯性的影响，使炉内没有温度波动和温差，然后进行实验。

试验试样总数：六根。

首先用螺旋测微器精确测出其光滑圆柱部分的直径ｄ0

将六跟疲劳试样分别标号．如1＃，2＃，3＃，一直到6＃。

上．中．下三个不同部分。升温半小时至350℃．后保温约30~40分钟。待保温稳定后正式疲劳加载。

加载．应力控制，在MTS-880上显示为载荷P控制，载荷的选择:因做低周疲劳实验,应力超过了屈服极限,必须是:s 这时,为了作出比较精确的S―N曲线,我们取1s ,,×d 其 经350℃ 中温拉伸,算出为 s =212Mpa 。

加载．应力循环20000次以上,时间约为5小时.10000次约为3小时.5600次,约1.5小时。

试验数据记录： T=350℃，材料：16Mn．

表3-4各试样高温（350℃）低周疲劳实验的测试数据

数据/编号 直径 d(mm) 截面积S(mm) 交变载菏

±P(Mpa) 应力

Mpa 断裂时的循环周次 Nf

1# 6.30 31.17 8.49 272.7 21538

2# 6.36 31.77 9.00 283.0 16221

3# 6.38 31.95 9.43 295.2 12882

4# 6.36 31.77 9.58 301.7 10715

5# 6.34 31.55 9.86 312.5 8128

6# 6.34 31.55 10.20 323.3 5623

4 实验数据处理及结果分析

4.1 实验数据处理及S-N曲线

S-N 曲线及 S-N双对数曲线

根据试验数据表首先作出16Mn钢在350℃ 温度下的应力―寿命曲线,也既 S-N 曲线。

其中S：正玄载荷转化成应力的交变应力幅,( 单位:Mpa )N 也既 Nf时S对应下的低周循环破坏时的总周次。如图4-1

log10S ―log10N曲线

由于按S―N直接作图,可能引起相当大的偏差,故将S, N分别取对数,列出其数据表,并作出双对数曲线.见表4-2及图4-3

表4.2S,N 的对数值

table 4.2S,N in log

1# 2# 3# 4# 5# 6#

S( Mpa) 272.7 283.0 295.0 301.7 312.5 323.3

Lgs(Mpa) 2.44 2.45 2.47 2.48 2.495 2.51

N 21538 16221 12882 107.5 8128 5623

lgN 4.33 4.21 4.11 4.03 3.91 3.75

从图4-2中可以看出, 350℃环境下的疲劳试验数据在双对数坐标中体现了很好的线性相关性,(也既lgS―lgN可以拟合成一条直线)不妨设:

lgN=a＋blgS(4-1)

根据lgN,lgS 函数与自变量成直线关系.其数据统计表4-4为:

N=6,lgSi==2.474;

lgNi==4.057;

=36.7325－=0.0035;

表4.4lgN,lgS 函数数据统计表

Table 4.4function and argument of lgN,lgS

lgSi lgNi (lgSi)2 (lgNi)2 lgSilgNi

1 2.44 4.33 5.9536 18.7489 10.5632

2 2.45 4.21 6.0025 17.7241 10.3145

3 2.47 4.11 6.1009 16.8921 10.1517

4 2.48 4.03 6.1504 16.2409 10.1517

5 2.495 3.91 6.2250 15.2881 9.7554

6 2.51 3.75 6.3001 14.0625 9.4125

14.845 24.73 36.7325 98.9566 60.1938

=98.9566-=0.1173;

lgNi=60.198-=－0.02747;

b=×lgNi==-7.8;

a=-b=4.057-(-7.8)・2.474=23.4

所以:lgN=23.4-7.8lgS (4-2)

如果设：lgN为，23.4为常数, -7.8为，lgS为;

则式(4-2)变为：；

即式(4-2)可拟合为一条直线，体现出很好的线性相关性.

4.2 实验结果分析

从各试样高温低周疲劳实验的测试数据看，温度对16MnR 的疲劳性能有很大的影响, 材料在300 ℃左右存在“篮脆”现象,疲劳强度明显高于其他温度，随着温度的升高,材料的屈服极限和强度极限有所下降,同时屈服平台逐渐降低并缩短,到420 ℃左右屈服平全消失. 在同一温度下,随着平均应力和应力幅度的升高,材料的循环蠕变速率增大，开裂的油浆换热器管板的材质16Mn钢，在350℃下高温低周疲劳的结果，可以看出随着交变载荷的增大，材料所受的应力也相应的增大。同时420 ℃时材料的疲劳强度对应力幅度非常敏感,即应力幅度有一较小的变化,疲劳寿命波动就很大,具体表现在应力寿命曲线的斜率非常低.断裂循环周次Nf减小。在进行应力控制模式下的疲劳试验时,由于存在拉伸平均应力,使平均应变沿拉伸方向逐渐增大,即发生了循环蠕变现象：利用当量应变范围准则、当量塑性应变能准则和当量总应变能准则来评价多维应力状态下的高温低周疲劳寿命是有一定的试验依据的；但是应该慎重的研究考虑评价准则的应用。

6 结论

（1）管板用钢16Mn，在350℃下高温低周疲劳的结果，可以看出随着交变载荷的增大，材料所受的应力也相应的增大。断裂循环周次Nf减小。

（2）应力腐蚀开裂和疲劳。在某些情况下，如因操作不当引起的压力、・温度频繁波动，换热器内流体诱发振动，使得换热器管板长期遭受疲劳载荷的作用，再在油浆、水蒸汽等腐蚀介质的作用下，管板发生了应力腐蚀开裂和疲劳。

（3）高温冲刷造成过热氧化和腐蚀。由于该换热器工作温度较高，在油浆和水等介质的高温冲刷下，造成焊缝和管板的过热氧化和腐蚀，削弱了焊缝和管板的强度，因而首先在焊缝处产生微裂纹，在腐蚀介质和疲劳载荷的共同作用下裂纹向管板方向扩展，导致管板开裂。

（4）通过实验数据拟合结果，得到线性关系，其中=lgN，=lgS，=-7.8，=23.4。