列管式熱交換器缺陷換熱管局部更換修復(fù)

， (大連金拓石化設(shè)備科技有限公司， 遼寧 大連　116031)

熱交換器是一種傳熱設(shè)備，為不同溫度的冷、熱流體提供熱量間接交換空間，達(dá)到加熱冷流體和冷卻熱流體的目的。經(jīng)熱交換器換熱后，流體溫度達(dá)預(yù)定的工藝要求，具有節(jié)能增效功用。在石油和化工的建設(shè)中，熱交換器投資通常占化工企業(yè)總投資的11%，占煉化企業(yè)總投資的40%左右[1]。熱交換器的種類很多，有浮頭式熱交換器、固定管板式熱交換器、U形管板熱交換器、板式熱交換器等多種結(jié)構(gòu)形式。其中列管式熱交換器的設(shè)計與制造較為成熟，具有結(jié)構(gòu)緊湊堅固、操作彈性大及材料范圍廣的特點，特別適合在高溫、高壓工況使用，是常見的大型熱交換器，其安全可靠運行直接關(guān)系到化工生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量、數(shù)量和成本[2]。文中以氨汽提塔鈦材蒸發(fā)器為例，介紹了一種在實際生產(chǎn)中總結(jié)和研發(fā)的，針對列管式熱交換器換熱管腐蝕減薄、裂紋、穿孔等缺陷的修復(fù)新方法，對化工生產(chǎn)裝置中列管式熱交換器缺陷換熱管的局部更換與修復(fù)進(jìn)行深入探討。

1　列管式熱交換器換熱管特點

1.1　換熱管結(jié)構(gòu)

換熱管是熱交換器的主要構(gòu)件之一，換熱管與其他熱交換器部件的連接方式直接影響其失效方式。典型的列管式熱交換器主要由殼體、管束、管板、管箱及封頭等部分組成。管束是換熱管的集合，通過管板、管箱與熱交換器殼體、封頭連接在一起，為嚴(yán)禁混合的兩種工藝流體的間壁式傳熱提供隔離通道和傳熱面。殼體、換熱管、管板的連接通常采用焊接或者脹接連接，為剛性結(jié)構(gòu)且不可拆卸。管箱與封頭的連接一般采用焊接或法蘭連接。兩種連接方式各有優(yōu)缺點，焊接連接方式可降低使用中換熱管連接處發(fā)生泄漏的機(jī)率，但不便于維修和清洗，而法蘭連接的情況正好相反。此外，為了使殼程流體橫向流過管束，同時增大流速以提高換熱效果，殼程管束之間通常設(shè)有多個折流板，折流板之間設(shè)有起固定作用的拉桿和定距管[3]。

1.2　換熱管工況

換熱管是熱交換器主要的傳熱面，冷、熱兩種流體分別在管內(nèi)和管外流動，形成流體換熱的管程和殼程。管程/殼程流體的選擇、換熱管材質(zhì)的選擇、換熱管參數(shù)的確定與熱交換器冷、熱流體的設(shè)計條件(溫度、壓力等)和物性密切相關(guān)。 殼程流體應(yīng)選不易結(jié)垢的流體，換熱管的直徑、長度、數(shù)量必須根據(jù)熱交換器的傳熱面積和速率經(jīng)計算確定[4]。

1.3　換熱管失效形式

為了保障熱交換器的正常使用和安全運行，必須保證換熱管與管板的連接牢靠不產(chǎn)生泄漏。目前換熱管與管板的主要連接方式為脹接和焊接，大多數(shù)情況下采用單焊接或單脹接，連接要求高的場合，尤其在高壓熱交換器中則采用脹接與焊接相結(jié)合的組合連接方式，以避免使用中列管的振動使焊縫產(chǎn)生疲勞損傷，進(jìn)而減少列管角焊縫開裂泄漏的機(jī)率。列管式熱交換器內(nèi)部換熱管的失效形式主要為換熱管泄漏，常見的換熱管泄漏可分為換熱管本身泄漏和換熱管端口泄漏兩種類型。

引起換熱管泄漏的主要原因有腐蝕、結(jié)垢、流體引起疲勞振動、材料缺陷等。腐蝕通常分正常腐蝕和非正常腐蝕兩種情況，對正常腐蝕，設(shè)計時會考慮到腐蝕裕量，將換熱管壁厚控制在合理的范圍內(nèi)即可滿足使用需要。非正常腐蝕會嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運行，如列管的整體均勻腐蝕、沖刷腐蝕、點腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氯離子腐蝕等，很容易造成換熱管減薄、泄漏，因此在設(shè)備的使用過程中要十分注意防護(hù)。結(jié)垢在熱交換器管束內(nèi)外壁均可能發(fā)生，污垢層的熱阻比金屬管材大得多，常會致?lián)Q熱能力迅速下降，嚴(yán)重時還會阻塞換熱介質(zhì)的流通，引發(fā)換熱管垢下腐蝕，最終導(dǎo)致熱管換熱失效甚至設(shè)備報廢。此外，在正常操作情況下，為了減少結(jié)垢會提高流體流速，此舉措會引起管束的誘導(dǎo)性振動，導(dǎo)致多種形式管束破壞，如碰撞破壞、折流板處管子破裂、管板處列管焊縫的疲勞拉裂等。材料缺陷則主要是選材標(biāo)準(zhǔn)偏低和材料本身的質(zhì)量不符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求[5-7]。

以上是熱交換器失效的主要原因，對熱交換器的破壞也是最為嚴(yán)重的。

2　常見列管式熱交換器換熱管泄漏及封堵

列管式熱交換器在使用過程中的泄漏，主要集中在管端角焊縫和列管內(nèi)部孔洞或裂紋處。對角焊縫泄漏的處理，通常先打磨補(bǔ)焊消除缺陷，然后查找深層次的泄漏原因并總結(jié)經(jīng)驗。對列管的內(nèi)部泄漏，則采用封堵處理，在泄漏管子兩端加裝堵頭并進(jìn)行焊接[8]。常見管板用堵頭和換熱管用堵頭結(jié)構(gòu)及尺寸分別見圖1和圖2。

圖1　管板用堵頭

圖2　換熱管用堵頭

封堵?lián)Q熱管會影響熱交換器的換熱效率，而且隨著封堵?lián)Q熱管數(shù)量的增加，這種影響會加重，達(dá)到一定數(shù)值將直接導(dǎo)致熱交換器報廢。因此，要從根本上解決換熱管泄漏就需要更換換熱管。

3　列管式熱交換器鈦材換熱管修復(fù)

對于某些特殊材質(zhì)的熱交換器，例如尿素生產(chǎn)中的氨汽提塔、二氧化碳汽提塔、甲銨冷凝器及污水處理廠中鈦材蒸發(fā)器等，綜合考慮更換換熱管的成本、換熱管的制作周期以及對正常生產(chǎn)的影響，更換換熱管并不是解決換熱管內(nèi)部泄漏的最佳選擇。本文以尿素氨汽提塔局部沖刷腐蝕的換熱管局部更換為例，提供鈦材換熱管局部缺陷和整體缺陷的完整修復(fù)方法。

3.1　換熱管泄漏情況

某廠氨汽提塔自20世紀(jì)80年代從國外引進(jìn)，是整個塔斯納姆尿素生產(chǎn)工藝裝置的核心設(shè)備，其換熱管以工業(yè)鈦材制成。鈦材具有耐高溫、不耐沖刷腐蝕的特性，在高溫條件下經(jīng)過一段時間運行后，氨汽提塔換熱管局部形成沖刷腐蝕減薄并引發(fā)泄漏，成為困擾尿素生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的難題。氨汽提塔換熱管材質(zhì)為TA2，規(guī)格為?27 mm×3.5 mm，總數(shù)為545根，按正三角形排布。管板厚度為(200+4) mm，操作壓力為14.5 MPa，入口和出口操作溫度分別為188 ℃和207 ℃，換熱管沖刷腐蝕減薄情況見圖3，鈦管點蝕穿孔情況見圖4。

圖4　鈦管點蝕穿孔情況

根據(jù)渦流測厚檢測結(jié)果統(tǒng)計的氨汽提塔換熱管減薄情況見表1。

表1　氨汽提塔換熱管壁厚減薄情況

表1顯示，損壞的換熱管測量壁厚為1.30～1.80 mm，損壞的換熱管數(shù)量為2～18根。根據(jù)表1計算，壁厚減薄至1.80 mm及不足1.80 mm的換熱管總數(shù)共61根。根據(jù)表1和換熱管原始總根數(shù)計算，換熱管損壞率高達(dá)11.34%。現(xiàn)場檢查表明，減薄區(qū)域集中在距離上管板管端600 mm區(qū)間，已經(jīng)嚴(yán)重危害設(shè)備的安全生產(chǎn)運行。經(jīng)過核算，如果全部進(jìn)行堵管處理，該設(shè)備將無法滿足正常運行的需要。經(jīng)過研究，確定用局部更換換熱管的方案進(jìn)行修復(fù)。

3.2　換熱管修復(fù)操作程序

3.2.1角焊縫和脹區(qū)加工

首先對確認(rèn)的缺陷換熱管進(jìn)行編號和標(biāo)注，其次進(jìn)行換熱管角焊縫的機(jī)械加工。機(jī)械加工一般可采取兩種方法，鉆頭鉆削加工和定做專用加工刀頭夾持刀塊進(jìn)行鏜削加工。加工在容器內(nèi)部作業(yè)時，大型加工設(shè)備操作空間受限，可采用磁座鉆進(jìn)行加工，過程中應(yīng)注意控制轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀量。轉(zhuǎn)速控制為150～300 r/min,進(jìn)刀量應(yīng)根據(jù)換熱管的腐蝕程度進(jìn)行手動控制，換熱管壁厚小，進(jìn)刀量也應(yīng)適當(dāng)減小。換熱管角焊縫經(jīng)加工去掉焊肉后，繼續(xù)進(jìn)行換熱管脹管區(qū)域加工，可采用鉆頭鉆削和特制加長鏜刀進(jìn)行鏜削。加工過程易出現(xiàn)進(jìn)刀量不當(dāng)和金屬切削的夾刀問題，需予以注意并做到勤退刀、勤去削。此外還需注意轉(zhuǎn)頭和鏜刀的垂直度，以防產(chǎn)生偏移和傷及管板?？刂频募庸ど疃瘸^脹區(qū)位置10 mm即可[9]。

3.2.2新舊管組對點焊

角焊縫和脹區(qū)去除后就可以進(jìn)行抽管，用釬子將管子頂出，根據(jù)檢測報告切除缺陷管段，用管子坡口機(jī)加工坡口，坡口角度為45°，預(yù)留1 mm鈍邊。坡口樣式見圖5，加工后效果見圖6。

圖5　鈦管坡口尺寸

圖6　鈦管坡口加工后效果

用砂紙將管子內(nèi)外的銹蝕及污物打磨干凈，待其顯露出原有金屬光澤后使用清洗劑清洗，以確保再無任何污物。切取所需長度的新管，取其一端加工成與原換熱管同角度的坡口，用V形夾具固定新舊管子進(jìn)行對接，加工過程中需注意保證管子的同心度。充氮保護(hù)換熱管內(nèi)部(防止氧化)，同時進(jìn)行120°位置3點固定焊。點焊固定完成后拆除夾持胎具。

3.2.3換熱管內(nèi)部和外部焊接

組對和點焊完成后，開始換熱管的焊接。按先內(nèi)后外依次對換熱管施焊。內(nèi)部采用脈沖氬弧自熔半自動焊接，外部采用保護(hù)罩充氬氣保護(hù)。焊接時，氬氣純度應(yīng)不低于99.99%，焊機(jī)應(yīng)選擇精度高、性能穩(wěn)定的直流焊機(jī)。內(nèi)部自熔焊接過程中還應(yīng)注意焊速和旋轉(zhuǎn)方向[10]。焊接時的基值電流為30 A，峰值電流為75 A，電壓為8～12 V，脈沖比為30%，焊速為0.2～0.5 m/min，內(nèi)部氬氣體積流量為6～8 L/min，外罩氬氣體積流量為8～10 L/min。內(nèi)部自熔焊槍樣式見圖7，鈦管外部用保護(hù)罩見圖8。

圖7　內(nèi)部自熔焊槍樣式

內(nèi)部焊接時以流體在焊后管內(nèi)流動時不受阻力影響為平滑度要求，焊后做進(jìn)一步的通球檢驗，執(zhí)行GB 50273—2009《鍋爐安裝工程施工及驗收規(guī)范》[11]。內(nèi)部焊接完成后，檢查自熔的成型效果，如發(fā)現(xiàn)外部有未熔合和燒穿現(xiàn)象，則要切除重新加工和內(nèi)部焊接,直至無任何問題后方可繼續(xù)進(jìn)行外部加絲焊接。焊接后的鈦管內(nèi)部剖面見圖9。

圖8　鈦管外部用保護(hù)罩

圖9　焊接后的鈦管內(nèi)部剖面

內(nèi)部焊接完成后進(jìn)行外部焊接，外部焊接需要進(jìn)行填絲，焊絲牌號ER-TA1，并在保護(hù)罩充氬氣環(huán)境下焊接，同時管內(nèi)部采用充氬氣保護(hù)[12]。在焊接過程中安排輔助人員對管子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度要均勻，轉(zhuǎn)動速度要與焊接速度相配合，避免抖動和停歇。焊接時的焊接電流為90～100 A，焊絲直徑為2.0 mm，焊接電壓為10～15 V，焊速為0.15～0.45 m/min，內(nèi)部氬氣體積流量為6～8 L/min，外罩氬氣體積流量為8～10 L/min，焊槍氬氣體積流量為6～8 L/min。

3.2.4施工中注意事項

換熱管修復(fù)施工過程中嚴(yán)禁使用銅錘，鐵錘要進(jìn)行不銹鋼包裹后使用，以減少鐵素體的污染。嚴(yán)格控制加工過程中油污，對已產(chǎn)生的油污必須清洗干凈。焊接操作過程中對環(huán)境的要求為濕度不大于80%、溫度不低于5 ℃且無風(fēng)[13]。

3.3　換熱管修復(fù)焊后檢驗及其他

焊接完成之后按照NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》[14]進(jìn)行射線檢驗，Ⅰ級合格。檢驗合格后，將換熱管裝回管箱，管端預(yù)留一段進(jìn)行點焊固定和角焊縫焊接，焊接角焊縫周圍區(qū)域應(yīng)無銹蝕和污物，以保證焊接質(zhì)量。整體維修焊接完成后經(jīng)過24 h的時效處理，繼續(xù)按照HG 20584—1998《鋼制化工容器制造技術(shù)要求》[15]附錄A提供的A法進(jìn)行氨滲漏檢驗。氨滲漏檢驗完成后對角焊縫進(jìn)行100%滲透檢驗，執(zhí)行NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》[16]，Ⅰ級合格。對于經(jīng)過重大維修的熱交換器，在整個系統(tǒng)生產(chǎn)開車前，還要進(jìn)行高溫鈍化處理。高溫鈍化處理也是讓維修、焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力得以緩釋的過程，因此系統(tǒng)開車前的升溫、升壓過程要進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免升溫過程由于應(yīng)力的變化造成焊縫開裂。熱交換器缺陷鈦管修復(fù)后的宏觀效果見圖10。

圖10　熱交換器缺陷鈦管修復(fù)后宏觀效果

4　結(jié)語

結(jié)合列管式熱交換器管束結(jié)構(gòu)、換熱工況、失效形式等特點，氨汽提塔的生產(chǎn)實際及其換熱管的材質(zhì)、內(nèi)部減薄、孔洞及裂紋等具體情況，有針對性地設(shè)計了缺陷換熱管的修復(fù)方法，成功完成了缺陷換熱管的修復(fù)。此方法以氬弧焊焊接工藝為基礎(chǔ)，以內(nèi)部及外部結(jié)合施焊為特點，既能保證局部更換過后管內(nèi)壁的光滑度，又能滿足無損檢測的要求。此方法特別適用于大型特殊材料熱交換器換熱管和管束的修復(fù)，具有節(jié)約設(shè)備更換成本和大幅縮短設(shè)備更換周期的優(yōu)點，為今后列管式熱交換器維修積累了更多寶貴經(jīng)驗。

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