， (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(jì)與制造較為成熟，具有結(jié)構(gòu)緊湊堅(jiān)固、操作彈性大及材料范圍廣的特點(diǎn)，特別適合在高溫、高壓工況使用，是常見(jiàn)的大型熱交換器，其安全可靠運(yùn)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(shí)際生產(chǎn)中總結(jié)和研發(fā)的，針對(duì)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(duì)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(diǎn)

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(guò)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(diǎn)，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(guò)管束，同時(shí)增大流速以提高換熱效果，殼程管束之間通常設(shè)有多個(gè)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(dòng)，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(jì)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(zhǎng)度、數(shù)量必須根據(jù)熱交換器的傳熱面積和速率經(jīng)計(jì)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(yùn)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(chǎng)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(dòng)使焊縫產(chǎn)生疲勞損傷，進(jìn)而減少列管角焊縫開(kāi)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(jiàn)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(dòng)、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(duì)正常腐蝕，設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)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(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行，如列管的整體均勻腐蝕、沖刷腐蝕、點(diǎn)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(guò)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(huì)致?lián)Q熱能力迅速下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)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(bào)廢。此外，在正常操作情況下，為了減少結(jié)垢會(huì)提高流體流速，此舉措會(huì)引起管束的誘導(dǎo)性振動(dòng)，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(duì)熱交換器的破壞也是最為嚴(yán)重的。

2　常見(jiàn)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(guò)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(duì)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(yàn)。對(duì)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(jiàn)管板用堵頭和換熱管用堵頭結(jié)構(gòu)及尺寸分別見(jiàn)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(huì)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(huì)加重，達(dá)到一定數(shù)值將直接導(dǎo)致熱交換器報(bào)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(duì)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(duì)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(guó)外引進(jìn)，是整個(gè)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(guò)一段時(shí)間運(yùn)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(jiàn)圖3，鈦管點(diǎn)蝕穿孔情況見(jiàn)圖4。

圖4　鈦管點(diǎn)蝕穿孔情況

根據(jù)渦流測(cè)厚檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)的氨汽提塔換熱管減薄情況見(jiàn)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(cè)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(jì)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(jì)算，換熱管損壞率高達(dá)11.34%?，F(xiàn)場(chǎng)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(yùn)行。經(jīng)過(guò)核算，如果全部進(jìn)行堵管處理，該設(shè)備將無(wú)法滿足正常運(yùn)行的需要。經(jīng)過(guò)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(duì)確認(rèn)的缺陷換熱管進(jìn)行編號(hào)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(shí)，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(guò)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(dòng)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(zhǎng)鏜刀進(jìn)行鏜削。加工過(guò)程易出現(xiàn)進(jìn)刀量不當(dāng)和金屬切削的夾刀問(wèn)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^(guò)脹區(qū)位置10 mm即可[9]。

3.2.2新舊管組對(duì)點(diǎn)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(cè)報(bào)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(jiàn)圖5，加工后效果見(jiàn)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(wú)任何污物。切取所需長(zhǎng)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(duì)接，加工過(guò)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(shí)進(jìn)行120°位置3點(diǎn)固定焊。點(diǎn)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(duì)和點(diǎn)焊完成后，開(kāi)始換熱管的焊接。按先內(nèi)后外依次對(duì)換熱管施焊。內(nèi)部采用脈沖氬弧自熔半自動(dòng)焊接，外部采用保護(hù)罩充氬氣保護(hù)。焊接時(shí)，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(guò)程中還應(yīng)注意焊速和旋轉(zhuǎn)方向[10]。焊接時(shí)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(jiàn)圖7，鈦管外部用保護(hù)罩見(jiàn)圖8。

圖7　內(nèi)部自熔焊槍樣式

內(nèi)部焊接時(shí)以流體在焊后管內(nèi)流動(dòng)時(shí)不受阻力影響為平滑度要求，焊后做進(jìn)一步的通球檢驗(yàn)，執(zhí)行GB 50273—2009《鍋爐安裝工程施工及驗(yàn)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(wú)任何問(wèn)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(jiàn)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(hào)ER-TA1，并在保護(hù)罩充氬氣環(huán)境下焊接，同時(shí)管內(nèi)部采用充氬氣保護(hù)[12]。在焊接過(guò)程中安排輔助人員對(duì)管子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度要均勻，轉(zhuǎn)動(dòng)速度要與焊接速度相配合，避免抖動(dòng)和停歇。焊接時(shí)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(xiàng)

換熱管修復(fù)施工過(guò)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(guò)程中油污，對(duì)已產(chǎn)生的油污必須清洗干凈。焊接操作過(guò)程中對(duì)環(huán)境的要求為濕度不大于80%、溫度不低于5 ℃且無(wú)風(fēng)[13]。

3.3　換熱管修復(fù)焊后檢驗(yàn)及其他

焊接完成之后按照NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2部分：射線檢測(cè)》[14]進(jìn)行射線檢驗(yàn)，Ⅰ級(jí)合格。檢驗(yàn)合格后，將換熱管裝回管箱，管端預(yù)留一段進(jìn)行點(diǎn)焊固定和角焊縫焊接，焊接角焊縫周圍區(qū)域應(yīng)無(wú)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(guò)24 h的時(shí)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(yàn)。氨滲漏檢驗(yàn)完成后對(duì)角焊縫進(jìn)行100%滲透檢驗(yàn)，執(zhí)行NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》[16]，Ⅰ級(jí)合格。對(duì)于經(jīng)過(guò)重大維修的熱交換器，在整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)開(kāi)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(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力得以緩釋的過(guò)程，因此系統(tǒng)開(kāi)車前的升溫、升壓過(guò)程要進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免升溫過(guò)程由于應(yīng)力的變化造成焊縫開(kāi)裂。熱交換器缺陷鈦管修復(fù)后的宏觀效果見(jiàn)圖10。

圖10　熱交換器缺陷鈦管修復(fù)后宏觀效果

4　結(jié)語(yǔ)

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(diǎn)，氨汽提塔的生產(chǎn)實(shí)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(duì)性地設(shè)計(jì)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(diǎn)，既能保證局部更換過(guò)后管內(nèi)壁的光滑度，又能滿足無(wú)損檢測(cè)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(diǎn)，為今后列管式熱交換器維修積累了更多寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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