一種熱交換器管子、管板連接接頭焊接缺陷的現場處理

陳 權 李 雷 余祖愛

(武漢海王新能源工程技術有限公司)

下泄熱交換器是核電站化學和容積控制系統中的重要組成部分，其主要功能是將下泄流的溫度冷卻到合適的工作溫度，以便下游工藝設備對其進行過濾凈化處理，該設備的安全狀態和返修進度直接關系到整個電站能否如期投入商運。接頭連接是下泄熱交換器設計、制造中最關鍵的技術之一，也是事故率最高的部位。

某新建核電站系統冷試前，運行人員在進行役前檢查時發現下泄熱交換器管子、管板連接接頭存在一處焊縫未填滿的焊接缺陷。由于該類缺陷可能導致連接接頭泄漏和設備功能失效，從而影響系統安全運行，現場急需制定一種合理的返修方案，確保設備質量安全可靠、保障項目進度又減小經濟損失。

1 下泄熱交換器結構

下泄熱交換器屬于核安全二級設備，為臥式U形管熱交換器，由水室入口組件、水室出口組件、換熱管、管板-拉桿-折流板組件、上部筒體組件、下部筒體組件、支承框架以及三角形支架組件等組成[1]。

管板連接形式如圖1所示，管側設計壓力為4.9MPa，設計溫度為204℃，材料為核級材料00Cr19Ni10；殼側設計壓力為1.2MPa，設計溫度為93℃，材料為核級材料20HR-B。其流程布置為下泄流走管內，冷卻水走管外，二者流向相反，因此下泄熱交換器為逆流熱交換器。

圖1 傳熱管與管板的連接形式

熱交換器的換熱管與管板通常采用脹接、焊接或脹焊結合的連接形式。文獻[2，3]表明，脹焊結合在接頭處的抗拉強度和密封性能要明顯優于單獨脹接或焊接。文獻[4]建議密封性能要求較高的場合宜采用脹焊結合的形式，脹焊結合接頭既可采用先焊后脹，也可以采用先脹后焊，但文獻[2，5]表明先焊后脹具有焊接出現氣孔率小、焊縫應力平穩的優勢。因此，下泄熱交換器采用脹焊結合的連接方式，先采用鈰鎢極自動脈沖旋轉氬弧焊進行焊接，然后進行全深度液壓脹。

2 焊接缺陷及處理方法分析

焊接缺陷是熱交換器管子與管板脹焊連接中常見和亟待解決的問題。下泄熱交換器在水室入口處換熱管與管板焊縫存在一處未填滿現象，焊接缺陷位于水室(管側)入口組件的管板上，焊縫未填滿的形貌特征包括焊縫填充高度不夠和表面有連續或斷續的溝槽。

焊縫未焊滿將削弱焊縫的承載能力，并容易產生應力集中。由于管板與換熱管的連接處屬于幾何形狀突變區，焊接缺陷將導致管板與換熱管連接處可能存在較大的殘余應力，設備運行期間，在流體的腐蝕和誘導振動的雙重作用下，容易出現應力腐蝕開裂、縫隙腐蝕和振動疲勞破壞，它們之間的相互影響又將加劇連接處的破壞速度。

針對以上狀況，處理的可選方案有兩種：

a. 換熱管雙端堵管處理。由設備的傳熱性能計算知其堵管裕量在10%以上，可進行堵管處理。鑒于對焊縫內在質量的不確定性，通過對換熱管兩端堵管處理，避免了因焊縫內部潛在缺陷擴展而導致泄漏的可能。但在返修工藝的實施上，需要同時將水室入口組件和水室出口組件的筒體與法蘭切割開，并對換熱管兩端與管板的連接處進行機加工處理，以便于與堵頭的裝配焊接。返修工作量大，工藝實施難度高，且所需的加工設備(如大型立式機床等)要求苛刻，堵管的實施又實際減弱了設備在傳熱設計方面的預留裕量，對保證其運行壽命期間的性能產生不利影響。

b. 對焊接缺陷處進行補焊。該方案的實施應首先對原焊縫的質量進行檢驗評定，確保其焊接質量良好、無泄漏通道，在此基礎上將該連接接頭焊滿。采用氬弧焊的焊接工藝，其焊縫熱影響區的范圍一般在5.0～6.5mm[6]，遠小于全深度液壓脹所取的12.0～15.0mm不脹區的范圍要求，因此，理論上補焊時產生的焊接熱能量不會對脹管區的材料組織和性能造成不利影響。此外，先脹后焊影響連接接頭脹接強度的主要原因在于焊接殘余變形引起焊縫處換熱管的收縮[7]，而采用補焊工藝時原有焊縫的存在不僅可以避免先脹后焊容易出現的收弧難的問題，同時也對焊接后換熱管的收縮變形起到了良好的限制作用，減弱了焊接對脹接強度的影響。該返修工藝相對簡單，僅需將水室入口組件的筒體與法蘭切割開。

3 返修工藝與結果

通過上述對設備質量的影響分析，結合現場的施工條件和工藝實施可行性，最終采用補焊方案進行返修，制定的處理工藝流程為：拆除水室入口組件上的連接緊固件、密封墊片和法蘭蓋；采取合適的保護措施將水室入口組件和管子管板組件進行遮蓋保護，用砂輪切割法蘭與水室筒體間的焊縫；打磨法蘭和水室筒體側的坡口，并對坡口PT檢驗；對管子管板焊縫缺陷處進行清理，并進行氦檢漏和PT檢驗，以確保原有焊縫表面質量且內部無貫穿性缺陷；PT檢驗合格后，采用經評定合格的焊接工藝進行補焊；對補焊焊縫進行焊后PT檢驗，并按照原設計要求進行氦檢漏；將切割開的水室入口組件的筒體與法蘭進行焊接，并按原設計要求進行100%PT檢驗和100%RT檢驗；局部酸洗鈍化；按照原設計圖紙要求對設備進行水壓試驗，試驗合格后清潔處理。

在制定了詳細的工藝方案和質量計劃后，現場返修人員嚴格按照程序和質量要求對設備進行返修，設備經無損檢測檢驗合格，并順利通過了設備水壓試驗和系統聯合調試試驗。

4 結束語

針對下泄熱交換器管子、管板脹焊工藝中焊縫未填滿的焊接缺陷，提出了一種可保證設備性能、工藝可行、返修方便的工藝方案，設備現場返修后，檢驗、試驗和系統調試均滿足設計要求。

[1] 張世偉.化學和容積控制系統下泄熱交換器抗震分析[J].原子能科學技術,2008, 42(z2): 431～433.

[2] 孫祥升.換熱器管子與管板接頭連接方法的試驗研究[J].石油化工設備，1996，(6): 38～40.

[3] 蔡業彬,陳再良.換熱器管子與管板脹焊接頭制造工藝分析[J].機械開發, 2000, (1): 47～48.

[4] GB 151-1999，管殼式換熱器[S].北京：國家質量技術監督局，1999.

[5] 毛國東.管殼式換熱器脹焊并用時脹焊順序探討[J].化工裝備技術,2005, 26(2): 45～46.

[6] 高廣安.關于氬弧焊焊接熱影響區寬度的實驗研究[J].工業鍋爐,1989, (4): 6～8.

[7] 王海峰,馬鳳麗,桑芝富.先脹后焊連接中焊接對脹接連接強度的影響[J].壓力容器,2010,27(12): 13～ 20.