管壳式换热器管板焊接接头泄漏分析及防治措施

2013-10-16王一迅陈文中

机电信息 2013年6期

王一迅陈文中

0 引言

管壳式换热器是工业部门广泛应用的通用工艺设备，也是供热系统的主要设备，换热器的先进性、合理性和运转的可靠性将直接影响整个系统的安全有效运行。管壳式换热器由于处在受压状态，再加介质对其腐蚀性、温差应力引起的热胀冷缩等，其管板焊接接头极易产生裂纹而泄漏，导致换热器失效。

焊接工艺因要求低，制造工艺相对比较简便，并有较好的紧密性而被广泛应用。目前在压力容器制造单位，管壳式换热器管与板之间的连接通常便采用焊接法。但在实际生产和使用管壳式换热器过程中，管板焊接接头常会出现裂纹和泄漏，尤其是介质为循环水、水和有机物混和物的碳钢换热器。经现场观察和分析，认为主要是管板焊接接头焊接存在质量问题，而水和有机物混合物有较强的腐蚀性也是一因素。我单位是一家主要生产换热器、冷凝器等化工产品兼有D级压力容器设计、制造的公司，以往在实际生产和使用中常发现有很多自制管壳式换热器发生泄漏，直接增加了生产成本和售后维修成本，给公司带来较大的经济损失，后经分析与改进并采取相应防范措施，该问题得到了解决，并取得较好的效果。

1 管板焊接接头常见质量问题分析

管板焊接接头结构如图1所示。

图1 管子管板焊缝示意图

通过实践分析，管板管子焊缝出现渗漏、拉断等质量问题的原因主要有以下几种：（1）换热管管头距离t1伸出太长。换热管与管板焊接时，换热管管头伸出管板的长度t1应控制在3～4 mm。实际应用时，当管板正面受高温高压蒸汽等介质的强烈冲刷或热流密度非常高时，会产生很大的温差应力，伸出管头过长，管头得不到正常冷却，在高温高压及温差应力共同作用下产生管端裂纹，并逐渐延伸至管板焊接接头和管板中去，使管板焊接接头产生裂纹而泄漏。（2）换热管与管板孔之间间隙t2过大。一般换热管与管板是先胀接后再通过焊接连接的，如胀接工艺不到位，管子外壁与管板孔之间存在一定的间隙，换热器运行时，间隙内的水容易过冷或沸腾，长期下去会在该间隙内造成水垢沉淀，水垢传热性能差，造成管板焊接接接头在运行时的热量不能被及时带走，温差应力分布不均匀，管端焊缝就会在高温高压下形成裂纹，并逐渐发展成管板裂纹。因此换热管与管板孔之间的间隙是形成管板焊接接头裂纹的隐患之一，必须尽可能降低其间隙，控制管板钻孔精度。（3）存在焊接缺陷。换热管与管板的连接部位在制造过程中经常会出现碳钢换热管管端和管板孔清理不净，存在毛刺、铁屑、锈斑、油污等或管头清理后较长时间未加以组装又生锈，管板加工后长时间放置造成管板表面及管板孔内表面生锈、组装时又不清除，从而导致焊缝缺陷增多。采用焊条电弧焊时，一般制造单位为追求生产效率基本上都是一道焊缝盖面，一则t3值太小，二则管子管板焊对焊工的操作技能要求比较高，焊缝质量不高，极易产生裂纹、夹渣、气孔、焊渣流淌及凸出于换热管内壁形成焊瘤等缺陷，焊接残余应力和应力集中现象很明显，长此以往，水侧的高温氧化物腐蚀穿漏焊缝，泄漏现象就显现出来了。实际制造时，应选择线能量稍大的焊条电弧焊或管板自动CO2气保焊施焊，或采用手工钨极氩弧焊打底焊条电弧焊盖面的组合焊。因管板焊接接头是强度结构焊，结构应力分布不均匀，再加上换热管比较长在高温高压蒸汽冲击下必然产生强烈的震动，故施焊后的焊缝厚度t3不易太薄，否则易导致焊缝处裂开而泄漏。（4）受交变应力作用。换热器使用过程中频繁的加压、卸压（经常开机或关机），都会产生交变应力，管板焊接接头本身就是高应力集中的部位，长期使用会产生细微的裂纹（或细微裂纹扩展）等缺陷，并在裂纹的尖端形成高度的应力集中，最终导致裂开而失效。（5）操作人员操作不当。由于操作人员疏忽，给水自动调节阀或温控阀失灵，给水设备故障，不能及时调整循环水给水量，导致换热器缺水运行，产生过大的热应力，拉裂管板焊缝；或给汽自动调节阀或温控阀失灵，造成给汽量太充足，换热器管程超温超压运行，产生过大的热应力和拉伸应力，导致管板焊缝撕裂。（6）除了以上几种情况外，由于管板焊接接头在运行中受载是比较特殊的，它除了受管程和壳程压力差外，还有管板变形，特别是固定管板式还有温差应力。另外管板焊接接头本身是一个厚度差异很大的角焊缝，应力相当集中，再加管板为密集开孔，焊接时热影响区大，应力集中点多，微裂纹产生可能性大，并在实际使用中还要承受管程和壳程压力波动和温度变化，极易产生泄漏。

2 工艺及防治措施

针对以上几种情况，只有采取合理工艺，才能有效防止管壳式热交器管板焊接接头的泄漏和拉断。

（1）在制作及加工工艺上加以改进，管板加工时间应在换热器组装前，管板管孔直径加工不能有太大的误差，根据常用换热管规格允许偏差如表1所示。

表1 管孔允许偏差表单位：mm

管板孔坡口及孔内凹槽尺寸加工到位，换热管端去除毛刺、油锈水等杂物，打磨后露出金属光泽应立即组装，并检查管头伸出长度在3～4 mm内，不合格的要及时更换。

（2）换热管与管板连接应采用胀焊并用（先胀接后再加以焊接）方法，胀接工艺一定要到位，胀接连接时，连接部位的换热管和管板孔表面应清理干净，管孔表面不应有影响紧密性的缺陷，如毛刺、铁屑、贯通的纵向或螺旋状刻痕等，管孔表面粗糙度不应大于12.5μm。其胀接长度不应伸出管板面（壳程侧），换热管的胀接部分与非胀接部分应圆滑过渡，不应有急剧的棱角，使孔内壁和内凹槽与换热管管壁之间紧密贴合。

（3）焊接连接时，连接部位的换热管和管板孔表面应清理干净，不应留有影响焊接连接质量的毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣及凸出于换热管内壁的焊瘤均应清除。对焊缝缺陷的返修，应清除缺陷后焊补，并使焊缝达到设计图样要求。换热管与管板焊接接头是强度焊，施焊前应按要求作焊接工艺评定（PQR），并编制相应的焊接作业指导书（WPS）。应将管板焊口尽量放在平位置进行焊接，施焊前再用钢丝刷清理、压缩空气吹净焊口等方法使金属光泽；由持证熟练技术焊工施焊，严格按WPS要求选择合理的焊接工艺参数。在焊接过程中，要控制好焊接速度，避免焊接缺陷，使每根焊条焊完整个管的焊缝后在四孔中间三角区引弧和熄弧，焊缝表面采用着色检验或试压方法检查，有经验也可直接用肉眼检查。对漏点和裂纹一定要打磨后进行补焊，并且使完成后的焊口尺寸达到设计图样要求。

（4）选择合适的焊接方法。采用氩弧焊打底焊条电弧焊盖面焊接方法。氩弧焊焊接方法热量集中，电弧挺度好，熔池小，打底层焊道焊缝质量容易得到控制，再用焊条电弧焊方法盖面，正好克服氩弧焊熔深浅、焊道薄的缺点，保证管板焊接接头的强度，避免在使用过程中因换热管强烈震动而产生裂纹。

（5）收集多年来用户单位的反馈信息，编制一套换热器产品使用说明书，提高操作人员的素质及操作技能，保证换热器的安全运行。自此套说明书推广使用以来，换热器的维修率大大下降，得到用户单位的肯定。其内容包括：换热器简介及性能特点、表示方法及类型；换热器的管路系统安装示意图及其控制元件的调试与使用；换热器配件型号、数量及维护保养和运行须知；换热器的常见故障与对策；换热器的安装及环境要求；换热器操作人员的培训。