缩进坡口角焊技术在换热器维修中的应用

李建法，张宝莉

（榆林职业技术学院， 陕西 榆林 719000）

缩进坡口角焊技术在换热器维修中的应用

李建法，张宝莉

（榆林职业技术学院， 陕西 榆林 719000）

列管式换热器管板与换热器连接处的泄露是换热器在使用中最容易出现渗漏故障的地方，且很不容易通过现场维修解决。本文结合企业维修实践操作及相关工程计算，探索总结出一种利用缩进坡口角焊技术成功解决化工企业生产过程中列管式换热器渗漏的维修方法，为以后类似化工换热设备维修提供了新的技术途径。

角焊；换热器；维修

在化工生产中，由于换热设备在高温高压下工作的特性，使得换热器管板与换热器连接处的泄露成为换热器最容易出现渗漏故障的地方，而且还很不容易解决，因此，在化工生产实践中，常常出现换热器使用时间不长，设备其他部分完好无损却无法使用而返厂大修或报废的情况，给企业造成很大的损失。所以，研究现场维修的技术解决换热器渗漏问题，对提高企业的生产效率和降低设备维修费用意义重大。为此，笔者结合企业检修实践和理论计算，总结出通过缩进坡口角焊技术解决维修换热器渗漏裂缝的技术方法。

废热锅炉是合成氨化工企业常见的设备，但合成塔合成气出口的废热锅炉却容易泄露。下面以西北某企业合成氨装置的换热器——合成塔合成气出口废热锅炉的检修为例来说明该技术。该企业合成氨系统停车检修中，合成塔合成气出口的第一台换热设备——废热锅炉的两个换热管头角焊缝出现泄露。常规方法都是对泄漏点进行补焊作业修复，但如果方法不当，技术运用不好，很容易出现反复渗漏现象，而且会越来越难以修补。为解决这个问题，笔者与有关技术人员对企业的合成塔合成气出口废热锅炉经过几次的维修，在不断总结改进的基础上，通过技术攻关，科学计算，精心操作，成功地维修好了该换热器并且稳定运行2年多，为企业降低了维修费用，节约了维修时间，缩短了维修周期，提高了生产效率。

1 设备故障及初次维修

需要维修的废热锅炉属于三类压力容器，该设备的工作状态是：介质为NH3、H2、N2组成的混合气。工作温度和压力如下：

壳程工作压力： 4.23 MPa，工作温度：220 ℃。

管理工作压力：14.02 MPa，工作温度：400/400 ℃。

壳程设计压力：4.9 MPa，设计温度：280 ℃。

管理设计压力：16 MPa，设计温度：440/320℃。

因设备图纸厂方保密，维修组成员只能到现场结合示意图了解废热锅炉结构：该换热设备为U形管换热器；管板与壳体、管箱的连接方式是GB151—1999《管壳式换热器》[1]中图18的“b型”结构，即管板与壳体、管箱三部分用焊接方法连接成一个整体（见图1）。

图1 GB150内设备连接插图Fig.1 The illustration of GB150 device connection

U形管换热管的布排方式比较特殊，管子的进口部分集中在管板的中心Ф660 mm的范围内，出口管处于管板的边沿，呈环向分布；在二者的中间有一高于管板表面200多毫米的支撑圈，用于连接混合气进口总管及连接到管板的进口换热管，形成一个进口通道。该设备管板直径Ф1 100 mm，厚度260 mm，且为复合管板，复层厚度6 mm，基层和复层（堆焊层）材料为SA-336 F22及CL-3。换热管共180根，其规格是Ф32X2.5 mm，换热管材料为SA-213.T22。（见图2）。

图2 生产设备内连接插图Fig.2 The illustration of production equipment connection

因该换热设备只使用了一年时间便出现问题，原设备制造厂也很重视，派人来现场指导维修，并带来了焊条、焊丝及焊接工艺。第一次补焊后，发现补焊后泄漏点越多了，而且发现之前对20多个U形管已进行了管头封堵焊接的焊缝也再次出现泄漏。

2 分析失败原因 二次维修仍未成功

针对上述问题，为了进一步查明问题原因，维修人员首先再次认真查看示意图纸，了解设备相关参数和材质。然后，详细分析泄露发展过程和第一次补焊作业过程：最初两个泄漏的管头在出口管部分，是管头与管板的角焊缝发生泄漏。进口管部分的全部管头在支撑圈以内，且每个管孔都插入一个耐高温导引管，最上端有一20 mm厚的小管板将耐高温导引管固定在支撑圈上。管板复层材料是耐高温铬镍合金，换热管材料是耐热钢。直径只有 1.1米的管箱空间有限，补焊很不方便。

补焊所用焊丝是由制造厂家带来的进口焊丝，焊前预热到250 ℃后进行了补焊。开始用耐热钢焊丝进行焊接补焊，原来泄漏的地方经补焊不漏了，但是相邻的管头受焊接热循环的影响出现新的泄漏。维修组与厂家分析后认为是焊接工艺问题或者是现场施焊操作问题，于是重新制定补焊工艺，采用镍基焊丝进行补焊。但结果是补焊的管头越来越多，而且不少管头的焊缝将管子拉裂了。制造厂家认为该设备管头的泄漏在现场已无法处理，只能拆除返厂，更换换热管。这意味着，该厂合成氨系统至少要停产一个多月，将带来很大的生产损失。

3 深入研究 精确计算 确定新的方案

为了缩短检修时间，维修组组织技术力量和有关专家，争取现场解决，维修好该设备。为此，维修小组请来了其他企业的设备专家，高等院校科研人员认真研究。经过认真分析，精密计算，确定了坡口角焊修补新方案。

3.1 确定换热管的裂纹深度

维修组在有裂纹的换热管中找了一个裂纹较深的管子进行检查，将管头用管子坡口机切掉管板平面以上部分，用渗透着色的方法检查。发现管子端面低于管板平面以后端头裂纹消失，说明具备下一步维修操作的基础。

3.2 处理裂纹及泄漏管头的焊缝

把修补时用各种不同的焊丝所焊的焊缝去掉；将换热管出现泄漏的端头去除；由于管箱与管板是焊接连接，无法拆除，耐高温导引管、20 mm厚的小管板以及支撑圈对裂纹及焊缝去除、补焊作业影响很大，而且不取掉它们，U形管的另一端也无法封堵；因此决定先拆掉管板上附件，修补后恢复。

3.3 计算焊接强度

确定能否满足设备工作温度和压力要求。去除原有焊缝，消除管端头的裂纹，换热管的端头低于管板平面，换热管与管板的组合焊缝在补焊时也只能变成角焊缝了。这样的处理能保证焊缝的强度吗？因现场检修不宜进行破坏性试验，所以检修组采取理论计算来确定焊接后强度能否满足该换热设备工作要求。

3.3.1 换热管的轴向应力计算

查GB151.附录J，换热管金属截面积：

按三种工况分别计算

（1）只有壳程设计压力Ps=4.9 MPa，管程设计压力 Pt=0 σt=17MPa

（2）只有管程设计压力Pt=16 MPa，壳程设计压力Ps=0 σt=39.536MPa

（3）壳程设计压力和管程设计压力同时作用σt=22.528MPa ；查 GB/T3077—1999 SA—213 T22（相当于12CrMoV）耐热钢[2]，常温下许用应力［σ］tt= 93MPa（温度升高，强度升高）。

以上三种工况的计算值均小于换热管设计温度下的许用应力［σ］tt= 93MPa

3.3.2 换热管和管板连接拉脱力计算

σt取以上计算最大值σt=39.536MPa

l1—换热管最小伸长度

l3—最小坡口深度

4 精心操作 设备维修成功

焊接前，首先采用手持式管子气动坡口机进行焊缝的清除及管子端头的切削，将高出管板表面的管子及角焊缝削平；然后更换刀头将换热管端头削至低于管板表面3 mm深度；用45°刀头将管板换热管孔加工成3×45°的倒角结构（见图 3）。采用渗透探伤方法检查,结果显示缺陷完全清除，具备开始焊接的条件。

图3 焊接倒角结构示意图Fig.3 The illustration of welding angle structure

焊前将补焊面预热至100～150 ℃，采用远红外加热带在管板所处的设备外侧加热预热管板，在管板表面用煤气直接加热预热，达到预热所需温度后再开始补焊。

采用焊丝直径Ф2 mm的牌号为AT-ERNi82（型号ERNiCr-3）进行氩弧焊焊接。焊接电流90～130安培，氩气流量9 L/min，焊接层数2层（见图4）。焊后进行外观检测合格，然后用远红外加热带加热到 300 ℃进行消氢处理，等管板表面温度降至 50℃以下后进行渗透检测，结果为I级合格。然后水压试验也未发现泄漏。恢复安装支撑圈、小管板、高温引导管及进气管等，还原设备，投入使用。

图4 管板及管路连接示意图Fig.4 The illustration of connection between tube plate and pipe

4 结束语

目前，该设备经维修后正常运行 2年多，再未出现任何泄漏裂缝等问题。说明运用缩进坡口角焊技术维修列管式换热器管头渗漏的技术方法是可行的，这对以后维修类似换热器问题提供了宝贵的成功经验。可以大大节约拆除、安装、运输及返厂修理费用，缩短维修周期，减少生产系统的停车损失。同时，这种维修换热管头缩进管板平面的管头角焊技术技能以及维修方法，对化工生产中的其他压力容器制造及检修也具有重要的参考价值和启发意义。

［1］GB151—1999管壳式换热器 [S]. 北京：中国标准出版社，1988：58-60.

［2］GB/T3077-1999合金结构钢 [S] . 北京：中国标准出版社．

Application of the Indent Groove Flat-face Fillet Welding Technology in Heat Exchanger Maintenance

LI Jian-fa，ZHANG Bao-li
（Yulin Vocational and Technical College, Shaanxi Yulin 719000，China）

The leakage at the connection of tubular heat exchanger and tube sheet is the commonest in exchanger use, and it’s quite difficult to solve the problem on spot. In this paper, combined with practice calculation of repair and related engineering, an indent groove flat-face fillet welding technology was developed to solve the leakage problem by on-site maintenance, and the technology could provide a new technical way for maintaining similar chemical heat exchanging equipments.

Flat-face fillet weld ; Heat exchanger ; Maintenance

TQ 051

A

1671-0460（2014）11-2328-04

20414-08-24

李建法（1971-），男，陕西榆林人，副教授，1995年毕业于延安大学有机化工专业，研究方向：化工职业技术教育教学工作。E-mail：lijianfa308@126.com。