绕管式换热器换热管漏气后的返修.doc

高压绕管换热器中换热管漏气后的返修过程张 庆 生（开封东京空分集团有限公司，河南省开封市北关街8号 475001）摘 要：简介了高压绕管换热器中管板与换热管的贴胀连接加强度焊时，因胀接压力控制不好，焊缝脆性增加，在工作过程中显现疲劳裂纹，换热管出现漏气现象，讲述了返修过程及返修中的注意事项。关键词：高压绕管换热器；换热管；返修；贴胀+强度焊；胀接压力；胀接接头；拉脱强度Repair of the Tube leakage in High pressure tube heat exchangerZhang Qingsheng(Kaifeng Dongjing Air Separation Group Co., Ltd., 8 Beiguan Street, Kaifeng 475001, Henan, P. R. China)Abstract: Introduction for the high pressure heat exchanger between the tube plate and tubes inflation were expansion connect strength welding , because inflation pressure control is not good, welded joint shall be strength, the welded gap will appear and leakage will occur in the tube , introduce the note in the repair for heat exchanger . Key words: High pressure tube around heat exchanger；heat exchange；repair；Expansion + strength welding；expansion pressure；expansion joints；pull strength 1 高压绕管换热器DR87XX型高压绕管换热器产品中（结构见图1）换热管与管板的连接采用先胀后焊，即“贴胀+强度焊”的模式（见图2）。通过贴胀，能有效地阻尼绕管体振动对焊口的损伤，避免间隙腐蚀。在贴胀前虽然作了贴胀试验，但由于换热管数量多，换热管每个接头与管板的间隙都需要贴胀来消除，因此往往在实际操作中，胀接压力控制不好。胀接压力大时，换热管焊缝脆性增加；胀接压力小时，管板与换热管之间易出现间隙腐蚀。在空分装置上卸下的高压绕管换热器，经检测后，发现换热管贴胀部分焊缝出现漏气，原因是胀接压力过大，使换热管贴胀后内应力大的焊缝，在工作过程中经历裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展三个阶段，出现疲劳裂纹，疲劳裂纹宏观断口呈脆性，无明显塑性变形，在断口上可观察到裂纹源，光滑或贝壳状的疲劳裂纹扩展区和粗糙的瞬断区，造成隔层之间相互漏气，管程（高压）向壳程（低压）漏气，出现串气现象，影响换热效果，既影响气体产量，又影响气体纯度。存在显著的纯度差。为了挽回高压绕管换热器由此可能造成的报废损失，经对其裂纹形状、位置尺寸进行分析，并对换热器整体结构、强度的设计计算。认为返修后，换热面积及各项性能指标能达到设计要求。通过拟定返修方案，制定返修步骤，对高压绕管换热器管板与换热管连接部分实施返修。2 贴胀试验在返修前应依据容规标准要求再作一次胀接工艺试验、做好工艺记录、出可行的工艺报告（详细见不锈钢钢管钢制管板胀接试验），通过试胀，检验管板与换热管胀接接头的密封性能，测试胀接接头的拉脱强度，选定最佳胀接压力，待返修时采用。3 不锈钢钢管钢制管板胀接试验（1） 试验名称：不锈钢钢管钢制管板胀接试验。（2）试验目的：通过管与管板胀接试验确定合适的胀接压力。（3）试验材料：见附表2。（4）试验工艺程序及要求：（4.1）贴胀、试压模型（见图3）。（4.2）换热管胀接前，对试验件的换热管进行编号（硬印或记号笔）以示区别，并测量每根换热管端部外径、内径及相对应的管板孔内径，并按附表1要求进行记录。（4.3）换热管端部胀接部位应打磨光，去净管口毛刺，管板孔口边缘有毛刺的，应用铰刀铰光，然后用压缩气体吹净管板孔，并用脱脂清洗剂进行脱脂。（4.4）胀接时采用液压胀管机，按附表1要求胀接试验件，并按要求进行拉脱强度试验。（4.5）胀后及时清除胀针上的颗粒物以减少胀管器的损坏，测量换热管实际内径，换热管内壁屈服后，在不同胀接压力作用下内表面的径向位移应用杠杆千分尺测量，其（分度值为001毫米），换热管外表面可用普通的外径千分尺测量，其(分度值为001毫米)，由此可绘出不同胀接压力下管子半径的增量表，并按附表1要求进行记录。（4.6）胀接试验件，按附表1要求对试验件进行盛水试漏和拉脱强度试验。（4.7）用试验机进行拉脱强度试验，确定胀接压力。（5）试验记录：见附表1。附表11） 在图3中盛满水，试漏，放水，吹干。胀接接头漏水时，适当增大胀接压力。沿图示方向切断。2） 拉脱强度试验：当胀接压力120MPa时，拉脱强度小于或大于1 MPa，将试验测得拉脱强度填入下表接头号1，胀接压力130 MPa 140 MPa 150 MPa 170 Mpa,将试验测得拉脱强度填入下表接头2 3 4 5.3） 拉脱强度为1 MPa，为贴胀应达到的拉脱强度。不锈钢钢管-钢制管板胀接试验记录如下：（试验温度11） 接头号尺 寸12345胀前管外径mm24.9524.924.924.925.0胀前管内径mm20.920.920.920.921.0管壁厚mm2.032222胀后管内径mm21.9521.8521.821.621.7胀接压力MPa159149140120134拉脱强度MPa2.62.31.61.31.3附表2不锈钢钢管-钢制管板胀接试验报告如下：试验目的确定不锈钢钢管与钢管板的胀接压力试验人员时 间试验条件试件材料：管子材料为 00Cr19Ni10 ，胀接规格为252管板的材料： 0Cr18Ni9II试验结果对于钢管（材料为00Cr19Ni10）与钢制管板（材料为0Cr18Ni9II)采用液压胀接工艺时，胀接压力为140 MPa时能够保证胀接接头的拉脱强度1MPa。试验结论对于钢管（材料为00Cr19Ni10）与钢制管板（材料为0Cr18Ni9II)采用液压胀接工艺时，胀接压力取140Mpa 经过多次的拉脱强度试验，可以发现对于管板和换热管胀接接头的连接强度有影响的因素是：管板管孔内壁表面粗糙度、管板管孔与换热管之间硬度差、管板孔与换热管之间的间隙、管板与换热管的材质。换热管外径的均匀一致能保证管子与管板管孔的间隙，内径的均匀一致能保证与液压胀管机胀针的匹配性。而液压胀管机胀针外径与管子内径的公差也应控制在-0.02-0.07mm范围内。管板管孔与返修用换热管实际均匀外径间隙仍应控制在单边0.2mm左右。其中胀接压力的大小对胀接接头的连接强度影响显著，胀接接头的拉脱强度q随胀接压力P的变化（见图4）。 4 返修前检验对高压绕管换热器壳程，作气压试验，压力值按总图上技术特性要求。在管板与换热管连接部分及换热管胀接接头内，涂上洗衣粉水后，用自制的观测灯照明换热管内部，作焊缝表面检测，观察气泡，来确定漏点位置及尺寸。根据漏气量，确定焊缝裂纹的大小，作出标记，并用清水去除洗衣粉水，吹干。返修前，熟悉图纸文件及工艺文件，制定返修方案，按GB151的规定进行返修。返修场地清洁干净，工具禁油污。换热管必须进行逐根水压试验，两端部连接试压工具，试压用水的氯离子含量须25PPm。换热管选用三种长度100mm、150mm、200mm，检验换热管的外径与管壁厚度（252），在公差范围内，将换热管按实测数据分类，检验管板孔径2525.45。在公差范围内，按实测数据将孔分类，将尺寸相近换热管与管板相配，减小间隙。选光亮固溶状态的不锈钢换热管，不允许拼接，其壁厚允许偏差按正偏差执行，进行脱脂处理。换热器的返修用管子材料的硬度值一般须低于管板材料的硬度值，并且不应采用管端局部受热的方式来降低换热管的硬度（因不锈钢管受热后要产生晶间腐蚀）。5 管板和换热管连接的返修工艺过程（1）在筒体上划碳弧气刨尺寸位置线（见图5），检验。测量两管板中心距离，调整滚轮托架位置并找正，将绕管传动工装连接到绕管机上。吊放中心筒组件于滚轮托架上，并与传动工装连接。转动绕管机，绕管机应运行稳定，检验。在筒体外圆上碳弧气刨一周(留34mm余量)，检验。方向向下方 (防止碰伤筒体内的换热管表面)，清除焊瘤，飞溅，检验。管板与封头焊缝处，在封头上划气刨尺寸位置线，检验。行车吊起筒体，检验。沿管板外圆周碳弧气刨一周 (防止碰伤筒体内的换热管表面，内部垫石棉橡胶板)，清除焊瘤，飞溅，检验。在筒体上将剩余部分34mm用砂轮（不含铁离子的砂轮片）切断，做好筒体位置标记 (防止划伤筒体内的换热管表面)，清除焊瘤，飞溅，检验。用行车吊起封头和筒体切断部分，拉出，检验。用不含铁离子的砂轮片，将其切断部分磨显露出金属光泽，以免对不锈钢造成铁污染，重新将销子插入中心筒，检验中心筒与两端管板定位，测量管板与中心筒的垂直度，保证二者垂直。检验中心筒管板焊接接头。用退管器（见图6）把已裂换热管从管板中退出，并用万向钻在管板上扩孔长度210mm，钻25孔，检验。根据换热管实际尺寸，由内向外按照塔形排列切割换热管（见图7），清除飞溅，检验。换热管穿管前两端各30mm焊接范围内管区应打磨显露出金属光泽，打磨时管子表面不被划伤，管端除去内外毛刺，并进行去污处理，这对采用液压胀针时尤为重要。在管板上标出0、90、180、270方位并与中心筒上的塔形换热管相对，用记号笔作出标记。取不锈钢钢管100mm长，带闷头一端预弯成型，从管板外面一端靠内层插入，退出闷头，套上管箍与换热管切断口对齐焊接(见图8)，检验。（2）点焊管卡固定，管子的相互间隙要严格控制在设计图纸规定的范围内，防止局部区域布置不均匀，造成流体阻塞，降低流体的流通面积。允许用锤子轻打击管子，锤子必须带硬橡胶垫。返修中须采用液压工装，保证管子弯曲角度及圆度。管子的圆度偏差应不大于换热管外径的8。吹入压缩空气，用薄塑料测定换热管另一端位置，每根换热管两端挂上相同编号牌。逐层向外层返修，不锈钢钢管的长度逐渐由100mm、150mm至200mm加长，焊成D100焊接接头，清除焊瘤，飞溅，检验焊接接头(控制点)。在管板外侧用顶紧工装顶紧管子，防止管子缩回。使用不含铁离子的砂轮片，切除管板外面多余管头（留16mm），砂轮磨粒易溅入换热管与管板管孔的间隙中，因为硅酸盐磨粒在焊接时将会产生夹渣，给焊接接头造成隐患。每绕制好一层，用U形管串管，作气压试验检查（停止点）。试验压力按管程的试验压力进行，检查返修后，管子是否泄漏。留1.7mm长管头，多余管头用钻床钻头刮掉，胀接前应严格清洁管孔，除去毛刺，根据贴胀工艺试验数据，确定合适的胀接压力（p=140Mpa），对换热管胀接部分进行液压贴胀，将换热管与管板胀接达要求，消除间隙腐蚀。不锈钢换热管减薄率一般控制在2-3%。（3）换热管与管板再次清洗去油处理，换热管端部与管板进行强度焊接。在焊接时按照焊接返修工艺指导书所规定的焊接参数进行焊接。返修焊工须持有相应级别内容且在有效期内的焊工合格证。换热管焊接前去油污，焊接时必须使用氩弧焊焊接，焊缝高度H确保不小于管壁厚度的1.1倍。采用双层氩弧焊，且第二层焊道起弧处至少要偏离第一层焊道起弧点15，以消除第一层焊道中特别是起弧和收弧点处可能产生的缺陷。并使用橡皮锤矫正，所有焊缝须成型良好与母材圆滑过渡，焊缝焊后进行100渗透检测，I级为合格 (控制点)。须立刻对焊缝进行酸洗钝化，并作好酸洗钝化的检查记录，其检查使用(蓝点检测法)不锈钢蓝点检测液进行检测。（4）划出夹套的组装位置线，绕管体两端组焊夹套，划出衬筒的组装位置线，依次找正点焊衬筒到位，并焊接，检验。根据绕管体直径与筒体间隙配修垫块。划出垫块的组装位置线。依次找正点焊垫块到位，并焊接，检验。卸开端部连接工装，安装抱箍，起吊绕管体，放于滚轮架上。清理绕管体外表面，吹干，待与封头和筒体切断部分组装。（5）组装前，从中心筒中拔出销子，清理干净管板和筒体切断部分、封头和筒体切断部分，将封头和筒体切断部分沿绕管体中心线旋转20，避免出现十字焊缝（见图9）。AB类焊缝作100%X射线探伤检查，II级为合格。合格后，采用试压垫片对整个绕管体进行压力试验，试压合格后，再按HG20584压力容器氨渗漏试验方法进行氨渗漏检查焊口的密封性，以检验换热管与管板焊缝、管箍与换热管断口焊接接头焊接质量和壳体等承压部件的制造质量。检验合格后。按DR87XX原装配工艺卡片要求装配，即可。6 注意事项（1）返修中严格控制换热管的回弹，控制换热管的圆度公差，测量绕管体的外径，以便进行有效的控制。（2）焊接时严禁烧伤换热管，垫条须与管卡焊接。（3）管板与换热管、管箍与换热管断口焊接接头焊接质量保证合格的前提下，方可试压。（4）管卡的数量和位置根据现场实际情况焊接。（5）返修后的绕管体应保证销子最后能够顺利从中心筒中拔出。参考文献：1 陈祝年主编焊接工程师手册M北京：机械工业出版社，20042 GB151-1999管壳式换热器S3 压力容器安全技术监察规