在役黑液管式降膜蒸發器的定期檢驗

王道文

(山東省特種設備檢驗研究院聊城分院，山東聊城，252800)

在役黑液管式降膜蒸發器的定期檢驗

王道文

(山東省特種設備檢驗研究院聊城分院，山東聊城，252800)

較詳細地介紹了在役黑液管式降膜蒸發器定期檢驗的內容及方法和應注意的問題。

黑液蒸發器;定期檢驗;渦流檢測

近年來，管式降膜蒸發器因其傳熱效率高、耐壓高、不易破裂、使用壽命長等優點，在造紙廠堿回收系統制漿黑液蒸發站中得到了廣泛應用。據不完全統計，全國已有十幾套黑液管式降膜蒸發器在生產運行，其中4套為進口，其余均為國產。根據蒸發器的設計工藝參數和結構，要求殼程承受一定溫度(＜150℃)和壓力 (＜0.49 MPa)的低壓蒸汽，管程承受制漿黑液的堿性及硫化物等的腐蝕，同屬于Ⅰ類壓力容器，屬于《特種設備安全監察條例》和TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》(以下簡稱《固容規》)監察管理的范疇，其設計、制造、安裝、使用等環節均應接受國家相關標準規范的監督檢查，并且在役蒸發器必須按TSG R7001—2004《壓力容器定期檢驗規則》 (以下簡稱《定檢規》)的要求進行定期檢驗工作。

1 管式降膜蒸發器的工作原理

管式降膜蒸發器結構較簡單［1-2］，由加熱蒸發室、分配盤、氣液分離室、除霧器、循環管等部分構成，其結構及工作原理如圖1所示。

加熱蒸發室相當于一臺立式管殼式換熱器，主要是由殼體、封頭、上管板、支撐板、下管板和加熱管等構成。殼體是根據工作壓力按壓力容器或常壓容器設計，并考慮到在真空狀態下受外壓時的穩定性，合理設置加強結構。殼體、加熱管和管板的材質可根據介質性質或用戶使用要求，選用碳鋼或不銹鋼。加熱蒸發室中心為一根內置循環管，其余部分為均勻分布的加熱管。

圖1 黑液管式降膜蒸發器結構及工作原理圖

工藝過程:加熱蒸汽走殼程，二次蒸汽及黑液走管程。黑液經循環泵通過內置循環管預熱并輸送至上管箱內的分配盤上，由分配盤均勻地分布在管板的管橋上，再沿加熱管內壁呈膜狀流下，同時進行傳熱蒸發，屬于半強制循環重力自然降膜蒸發過程。

2 在役黑液管式降膜蒸發器開展定期檢驗的影響因素

2.1 管殼式結構對檢驗的影響

管式降膜蒸發器加熱室管殼式的結構特征決定了檢驗部位和檢測方法的選擇。從圖1可以看出，管式降膜蒸發器的加熱室屬于殼程，蒸發器頂部的黑液分配盤、加熱管以及底部的氣液分離室構成了蒸發器的管程。對于蒸發器的殼程只能進行外表面檢驗，殼體焊接接頭中的埋藏缺陷檢驗只能選擇射線或超聲波探傷的方法進行。管程檢驗主要是對兩端管箱進行檢驗，對于加熱管與上、下管板連接部位的檢驗，可以通過上管箱或分離室的人孔進入內部對角焊縫進行表面滲透檢測。加熱管在溫度、壓力和堿性及硫化物等腐蝕性介質中運行，由于介質的腐蝕、沖刷、疲勞應力等作用，加上機械或水力化學除垢清洗乃至酸洗，會使管壁產生各種腐蝕缺陷、損傷和壁厚減薄，這將嚴重威脅設備的安全運行。但是加熱管束的檢測一直比較困難，鋼管數目較大且拆卸不方便，現場檢測時肉眼和內窺鏡只能檢查部分管子的表面狀況，且帶有一定的主觀性。國外的超聲波檢測技術如內部旋轉檢測系統 (IRIS)和渦流檢測對管束的壁厚減薄有著很好的檢出效果。

2.2 管殼程工作條件對檢驗的影響

從蒸發器殼程、管程的工作壓力分析，按照壓力容器國家標準劃分，并不是每個腔體都滿足壓力容器的條件。對于殼程，工作介質為低壓蒸汽 (設計工作壓力＜0.49 MPa，溫度130～150℃)，低壓蒸汽的工作溫度高于標準沸點，屬于壓力容器的范疇。管程黑液的工作溫度低于標準沸點，就不屬于壓力容器范疇，定期檢驗時可以不對管程部分如上管箱和氣液分離室進行檢驗。

從工作溫度分析，管、殼程介質存在較大的溫度差，如果是異種鋼焊接如碳鋼和不銹鋼，由于線膨脹系數不同造成加熱管和管板角焊縫處承受較大的溫差應力，再加上焊接殘余應力或焊接缺陷的影響，容易產生裂紋或拉脫開裂，最終可能導致介質泄漏。管板與加熱管連接部位的泄漏在管殼式換熱器失效案例中比較普遍，比較常見的現象是Ⅰ效清潔冷凝水電導度異常，后幾效污凝結水嚴重超標。

2.3 工作介質流動特性對管殼程檢驗的影響

為獲得較好的換熱效果，絕大部分管殼式換熱器的介質都在一定壓力下不斷地流經管程或殼程，以實現管殼式換熱器的穩定傳熱。從介質流動性角度出發，應重點檢查設備上流速變化較大的部位及流動形態發生較大變化部位被流體的沖刷腐蝕情況。例如:管殼程各進出口管角焊縫、加熱管與管板連接部位。管程或殼程的進口端，流速相對較大，應側重進行檢查，尤其是當介質中帶有固體顆粒的場合。另一方面，在流體的滯流區域，容易結垢，容易形成腐蝕介質的富積濃縮和垢下腐蝕，因此應重點檢驗這些部位的腐蝕情況。如殼程排液管及管板附近的區域。立式管殼式換熱器，當腔體內產生蒸汽時，在腔體頂部和蒸汽出口管之間容易形成死氣層，造成局部過熱，應注意檢查這一區域的變形和腐蝕。

2.4 生產工藝對檢驗的影響

實現熱量交換是黑液濃縮生產工藝對蒸發器的基本要求，尤其對于氣液分離室有液位控制的要求，氣液交界面是一個檢驗的重點。由于氣相和液相的組分不同，應注意檢查不同介質組分對材料腐蝕的差異。此外氣相空間的特殊結構也會影響檢驗方案的制定。如氣液分離室上部的斜錐殼、上下管箱的大開孔部位等。

盡管降膜蒸發器結垢速度慢，但結垢或堵塞仍是蒸發器最值得重視的運行問題，在線洗滌功能和定期的停運清洗可有效去除過多的結垢，從而保證傳熱效率，減少加熱管束產生結垢腐蝕穿孔的幾率。

2.5 制造工藝對檢驗的影響

管箱組焊后，加熱管和管板角焊縫、接管與殼體焊縫處存在較大的焊接殘余應力，在檢驗中應注意這些部位的檢查。因為焊接殘余應力和焊縫部位的應力集中可能導致應力腐蝕裂紋的產生，尤其是大開孔接管內側角焊縫。管板與加熱管的連接是蒸發器制造中的難點，脹接工藝掌握不當可能造成過脹或欠脹，焊接中的一些缺陷將直接影響連接強度和密封性，先脹后焊控制不當容易產生氣孔和脹口松弛;先焊后脹控制不當會將焊縫脹裂。脹接殘余應力是產生應力腐蝕裂紋的重要原因。因此檢驗中應重點檢查加熱管與管板連接焊縫和加熱管管頭內表面。固定管板式換熱器的最后一道殼體與管板的連接焊縫，制造中無法進行射線檢測，控制不當有可能存在原始制造缺陷，而該部位承受的邊緣應力和溫差應力又較大，因此檢驗中應重視管板與殼體連接焊縫的檢查，必要時可增加表面無損檢測的比例。

3 蒸發器定期檢驗的重點部位和檢測方法［3］

根據《固容規》和《定檢規》的有關要求，檢驗程序一般包括檢驗準備、全面檢驗、問題或缺陷處理、出具結論報告等環節。對于黑液管式降膜蒸發器等低壓容器，檢驗方法以宏觀檢查、壁厚測定、表面無損檢測為主，根據實際情況可輔以射線、超聲、渦流、硬度、光譜分析、耐壓試驗等檢測手段。

3.1 殼程全面檢驗

3.1.1 檢驗準備

通常只能檢驗筒體外表面，由于蒸發器直徑較大，表面工作溫度較高，只存在均勻腐蝕的可能，為節約檢驗費用、減輕企業經濟負擔，可局部拆除保溫層進行檢驗，重點選擇管板、錐封頭與殼體連接焊縫、殼程本體焊縫、蒸汽接管角焊縫等區域。對于碳素鋼或低合金鋼制殼體焊縫，檢驗前應按一定比例對上述重點部位進行打磨除銹除漆。

3.1.2 宏觀檢查與超聲測厚

宏觀檢查主要包括外觀、結構及幾何尺寸是否符合容器安全使用要求，外保溫層的完好狀況，支座有無變形、損壞，支座與殼體焊接的角焊縫在受拉側是否有表面裂紋，容器基礎是否存在下沉、傾斜、開裂。

對保溫層破損脫落、局部腐蝕嚴重的設備，應對整個殼體表面進行全面檢查，找出腐蝕最嚴重部位進行測厚、記錄，適當增加測厚點。對外表面均勻腐蝕的設備，測厚點應重點選擇流體沖刷腐蝕、滯留積垢腐蝕、接管等部位所對應的外表面進行檢測。

3.1.3 無損檢測

管板凸緣與殼體連接環焊縫要承受較大的邊緣應力和溫差應力，同時固定管板換熱器制造中有一道焊縫不能進行射線檢測。因此，管板與殼體連接焊縫應進行表面檢測。此外，氣液分離室錐殼等形狀突變部位的環焊縫、殼體不連續部位的接管角焊縫、錯邊和棱角度較大部位的焊縫、丁字形焊縫等也要進行無損檢測。因為殼體材料多為碳素鋼或低合金鋼，屬于鐵磁性材料，表面檢測優先采用磁粉探傷，不銹鋼材料焊接部位多選擇滲透探傷;由于殼體內加熱管束遮擋，殼體焊縫埋藏缺陷檢測只能采用超聲波探傷。

3.2 管程全面檢驗

3.2.1 檢驗準備

為了減少外保溫層拆除工作量，可通過上、下人孔進入蒸發器管箱內部進行檢測。為實現管板和加熱管的清洗、檢測，需對上管箱內的黑液分配盤進行拆除，對加熱管束垢層進行徹底清理。必須注意在進入管箱作業前，需對管程部分進行強制通風置換，經氣體取樣分析合格后再進人作業，避免檢修時發生意外傷害。

3.2.2 宏觀檢查與壁厚測定

重點檢查接管角焊縫內表面、加熱管與管板連接焊縫及管端內表面等流體沖刷較大部位。對泄漏堵管修理的管板，應重點檢查堵管附近區域的加熱管與管板連接部位，因堵管附近區域的介質流速更大，沖刷更嚴重，并且修理時可能造成附近區域管子脹接的松弛。重點檢查應力集中和殘余應力較大的各縱環焊縫、接管和加熱管角焊縫、加熱管脹接部位等處的腐蝕和裂紋，尤其是大開孔接管的角焊縫。

對管箱筒體、封頭的檢測，應重點選擇介質沖刷腐蝕較大的區域、易產生結垢腐蝕的區域、黑液循環管等進行測厚檢測。

3.2.3 無損檢測

對于管箱而言，重點選擇接管角焊縫內表面、管箱筒體縱焊縫、筒體與封頭連接環焊縫進行表面檢測，必要時選擇縱焊縫、環焊縫、丁字形焊縫等進行埋藏缺陷檢測，視其材質、壁厚等因素選用射線探傷或超聲波探傷，當管箱材料為奧氏體不銹鋼或者壁厚較薄時一般選用射線探傷。對管板與加熱管及中心循環管的連接角焊縫表面檢測抽查時，鐵磁性材料一般選用磁粉探傷，當管子為不銹鋼材質時需選用滲透探傷。

在檢修時為了能夠及時發現加熱管的壁厚減薄或內外壁缺陷，以往對加熱管進行定期檢驗的方法主要是采用水壓或氣壓試驗進行泄漏檢查，不能及時發現較嚴重腐蝕減薄但還未泄漏的加熱管。隨著渦流檢測技術的發展和檢測儀器的成熟，對蒸發器加熱管常用的碳鋼無縫管可選用遠場渦流進行檢測［4］，利用低頻電磁穿透力強的原理，在不進行磁飽和的情況下，可以檢測鐵磁性金屬管的內外壁缺陷和管壁的剩余厚度。而對不銹鋼管等非鐵磁性材料則選用常規渦流檢測的方法。因為鋼管已與管板、支撐板等組裝成管束，定期檢驗時無法將管子拆下，因此只能選擇內插式探頭。渦流檢測前應結合待檢管束的材質、規格參數，根據JB/T4730.6—2005《承壓設備無損檢測-渦流檢測》標準制作標樣管，利用對比試樣調節探傷儀參數，編制檢測工藝卡，由于黑液管式降膜蒸發器加熱管根數很多，現場操作時嚴格按照工藝卡進行抽查。

3.3 安全附件檢驗

主要是檢查安全閥、壓力表等安全附件是否符合相關標準和使用要求;是否按規定周期進行了校驗;現場安裝表閥是否在校驗有效期內;壓力表工作是否正常等。

4 耐壓試驗

按照《固容規》的最新規定，在定期檢驗過程中，當使用單位或檢驗機構對蒸發器的安全狀況有懷疑時，應當進行耐壓試驗。此外，當蒸發器在使用過程中進行了改造或重大維修施工，應根據《固容規》的要求進行耐壓試驗。停止使用2年后重新復用以及移裝的蒸發器應按照定期檢驗規則的有關規定進行檢驗，并且進行耐壓試驗［5］。

耐壓試驗可分為液壓試驗、氣壓試驗以及氣液組合壓力試驗3種。由于蒸汽和黑液均屬無毒、非易燃介質，因此可進行水壓試驗，試驗具體步驟和參數可按照《定檢規》和《固容規》相應條款執行。需注意的是蒸發器管、殼程的試壓順序為先殼程后管程。

5 檢驗周期的確定［4］

蒸發器一般應當于投用后3年內進行首次定期檢驗，下次檢驗周期根據其安全狀況等級確定:1、2級的一般每6年一次;3級的一般3～6年一次;4級的應監控使用，累計監控使用時間不得超過3年;5級容器應對缺陷進行處理，否則不得繼續使用。對于4級且監控期滿的容器或5級容器，除了采用修理的方法消除缺陷外，還可進行使用評價。使用單位應嚴格按照檢驗報告的結論控制壓力容器的運行參數，加強年度檢查，以確保容器的安全運行。

6 結語

作為堿回收系統黑液蒸發站的核心設備，管式降膜蒸發器由于其工藝要求和結構特征的特殊性，在使用環節為保證其安全運行所作的檢驗檢測須根據蒸發器的特點來開展，尤其是對焊縫的表面無損檢測應根據待檢試件的材質來選擇，以保證缺陷的檢出靈敏度。

［1］牟靜冬，康 健．竹漿黑液管式降膜蒸發器結構解析［J］．中國造紙，2010，29(10):46．

［2］畢旺華，牛 量，王繼舜．管式降膜蒸發器［J］．中國造紙，2012，31(4):46．

［3］國家質量監督檢驗檢疫總局．TSGR7001—2004壓力容器定期檢驗規則［S］．北京:中國標準出版社，2004．

［4］任吉林．電磁無損檢測［M］．北京:航空工業出版社，1990．

［5］國家質量監督檢驗檢疫總局．SGR0004—2009，固定式壓力容器安全技術監察規程［S］．

Periodical Inspection for In-service Tube Falling-film Black Liqour Evaporator

WANG Dao-wen
(Shandong Special Equipment Inspection Liaocheng Branch，Liaocheng，Shandong Province，252000)
(E-mail:ice_mosquito@163．com)

The inspection items，methods and the issues needed to pay attention for periodical inspection of tube falling-film black liquor evaporator were introduced．

black liquor evaporator;periodical inspection;eddy current testing

TS733+．9

B

0254-508X(2012)05-0040-04

2011-12-19(修改稿)

王道文先生，檢驗師;主要從事壓力容器、壓力管道的檢驗研究工作。

(責任編輯:馬 忻)