蒸汽发生器返修施工技术

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(1.兰州兰石重型装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730087；2.甘肃省压力容器特种材料焊接重点实验室培育基地， 甘肃 兰州 730087)

制造技术

蒸汽发生器返修施工技术

石承龙1,2，姚博贵1,2，潘秀娟1,2，黄龙1,2，张建晓1,2，徐红1,2

(1.兰州兰石重型装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730087；2.甘肃省压力容器特种材料焊接重点实验室培育基地， 甘肃 兰州 730087)

对某炼油厂芳烃项目二联合高温高压热交换器——反应流出物蒸汽发生器在运行过程中换热管与管板接头处发生泄漏及返修过程进行了详细介绍，通过制定合理、可靠的返修施工方案，最大程度地降低了此接头再次发生泄漏的可能性，此经验可为类似管头的泄漏问题提供借鉴。

热交换器； 高温； 高压； 返修方案； 换热管与管板连接接头； 泄漏

2014-06，我公司为某化工厂芳烃项目二联合加氢装置制造了1台反应流出物蒸汽发生器，其主要功能是将一回路反应流出物中的热量传给二回路除氧水，使其产生饱和蒸汽，用以供给二回路的动力装置。

在该设备运行过程中，发现壳程除氧水中存在一些管程反应流出物介质，继续运行2个月后停车进行了检查。首先对换热管与管板连接接头进行100%渗透检测，随后对设备壳程进行多次水压试验,发现换热管与管板连接接头处有多处泄漏，约占全部接头数量的1/2，且泄漏部位大部分集中在管程入口处。通过对泄漏换热管与管板连接接头进行破坏性解剖检测后，确定了详细的设备检修措施[1]，文中对此修复过程进行了简单介绍。

1 反应流出物蒸汽发生器简介

反应流出物蒸汽发生器为釜式重沸器类型,型号为DKU 1880/3200-16/2.5-1357-6685/19-2Ⅰ，规格(内径×厚度×长度)为1 880/3 200 mm×150/30 mm×13 020 mm，单台设备总重约为87.6 t，其结构示意图见图1。

图1 反应流出物蒸汽发生器结构简图

管程介质为反应流出物(特性为易爆介质)，工作温度(进/出)为251 ℃/220 ℃，设计温度350 ℃，最高工作压力为15.24 MPa，设计压力为16.0 MPa；壳程介质为除氧水(特性为第二组介质)，工作温度(进/出)为104 ℃/190 ℃，设计温度为225 ℃，最高工作压力为1.18 MPa，设计压力为2.5 MPa。

管箱材质12Cr2Mo1Ⅳ，规格(内径×名义厚度)Ø1 880 mm×150 mm(min);壳体材质Q345R，规格(内径×名义厚度)Ø 3 200 mm× 30 mm(min)；管板材质12Cr2Mo1Ⅳ，堆焊Inconel 625，规格(外径×名义厚度)Ø1 880 mm×461 mm；换热管材质NS1402，规格(外径×名义厚度)Ø19 mm×2 mm(2.5 mm)。

换热管与管板连接接头采用强度焊接加贴胀，其连接示意图见图2。

2 换热管与管板连接接头泄漏原因分析

本设备前期技术条件要求换热管与管板的连接接头应采用强度焊加贴胀。在设备回厂后经过对换热管与管板焊接接头泄漏分析，发现主要发生泄漏的地方为换热管端部伸入管板10～15 mm的内壁处。初步推测为前期贴胀可能未达到技术要求，胀接后换热管回弹导致了换热管与管孔存在着较大的缝隙[2]。在设备运行过程中此接头处受到复杂的应力作用以及介质的腐蚀，加之该接头较为薄弱，此处有极大可能发生应力腐蚀开裂[3-5]。由此推断这种开裂主要是由换热管与管板的缝隙中存在高浓度腐蚀介质以及蒸发器运行过程中产生振动所导致。

为防止再次发生此类泄漏问题，再次与设计院沟通并经过胀管工艺评定，决定由原有的柔性胀接改为液压强度胀，以增加换热管与管孔的贴合度，避免换热管与管板的缝隙对此接头处胀焊质量的影响[6，7]，且现场施工人员采用专用工装加工管孔内槽，改进后的管板孔开槽尺寸示意图见图3。

3 返厂检修

3.1

返修计划

对管程进行水压试验，初步确定换热管泄漏情况，并对换热管存在的泄漏情况进行标记[8]。

机加工去除换热管与管板焊接接头，抽出U形换热管，对直管段及R部位完好的U形换热管进行清洗，并且逐根进行水压试验。

对设备管箱筒体及管板进行消氢消应力热处理，并且检测缺陷情况，采取相应检修措施。

换热管水压试验合格后重新组焊管束，焊接换热管与管板焊接接头，并进行相关检测及检查。

装配各试压件，按照图样及技术条件耐压实验要求，对设备管、壳程进行水压试验。

3.2实施过程

3.2.1管程水压试验

组装管箱试压组件，对管程进行16.0 MPa水压试验，保压至少30 min。水压试验对介质水的要求为水温不得低于15 ℃，水中氯离子质量浓度不得大于15 mg/L。

待管程水压试验后，确定换热管R部位和直管段是否完好，并对存在泄漏的换热管部位进行标记，做好详细的数据记录[9-11]。

3.2.2管束拆卸

机加工除去换热管与管板角焊缝接头，并且抽出全部换热管，在取下换热管的过程中注意保护换热管不受损伤。

对所有取下的换热管，采用60 ℃氢氧化钠水溶液进行清洗，彻底清除换热管内、外壁油污等。

考虑到取下的换热管端部已在原来制造过程中经过焊接、胀接等过程，无法保证换热管端部质量与后续焊接时管子伸出长度。经设计院严格计算，决定对完好的换热管重新号料,根据管板尺寸，采用机械方法去除管头端480 mm，然后每种规格换热管各抽取10%，并对换热管端部按照NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5部分：渗透检测》进行100%渗透检测，I级合格[12]。

对换热管逐根进行水压试验，试压前对试压工具、压力表及接头等进行全面检查合格，在试压过程中采取专用试压工装，先排尽换热管中的空气，然后缓慢升压至图样技术条件中要求的试验压力22.4 MPa，先保压10 s，若无泄漏继续保压至30 s,检查换热管有无泄漏，无泄漏为合格。水压试验时对介质水的要求为水温不得低于15 ℃，水中氯离子质量浓度不得大于15 mg/L[3]。

水压试验合格后，对换热管进行酸洗钝化，同时对损伤严重的换热管作报废处理，并按图样要求重新采购。

3.3管板返修及检测

(1)管箱进行整体炉内消氢热处理 由于该设备已长期运行一段时间，考虑到设备本体可能存在大量扩散氢以及内部残余应力，为了防止在返修过程中再次出现裂纹等缺陷，需对管箱部件进行整体炉内消氢热处理，热处理工艺条件为：加热温度350～400 ℃，保温时间4 h，冷却方式为空冷。

(2)切割管箱分程隔板 考虑到管箱内部空间所限，导致换热管与管板接头焊接、贴胀不能正常进行。为保证换热管与管板焊接、胀接质量，将管箱内分程隔板与管板连接部位完全割开。鉴于管箱部件已进行了消氢热处理，为防止再次动火局部产生应力，在等离子气割时必须在隔板与管板连接部位预留50 mm长度，焊缝部位至管箱内壁的距离也在50 mm左右。

(3)管板及管孔检测 待分程隔板气割完毕后清理管板表面，去除表面油渍锈迹，对管孔进行清理，对表面存在明显缺陷部位进行打磨，之后对管板表面及管孔可探部位按照文献[12]进行100%渗透检测，I级合格。

(4)管板缺陷部位补焊 渗透检测合格后，对管板缺陷打磨部位进行补焊，补焊前打磨清理待补焊表面油锈、水渍、渗透探伤液等杂质及残留。补焊过程中采用小规范进行焊接且禁止摆动，收弧时注意将弧坑填满，防止产生弧坑裂纹，控制层间温度为15～100 ℃。补焊工艺为：采用焊条电弧焊，焊材ENiCrMo-3，焊条直径4.0 mm，电源选用直流反接，焊接电流140～160 A，焊接电压20～24 V，焊接速度不小于160 mm/min。

3.4组装U形管束

(1)折流板间距调整 原图中要求支撑板间距为1 175 mm，支撑板间距总和为4×1 175=4 700 mm。前期管头已切除480 mm，经设计院确认将管头切除的480 mm均布到支撑板间距上，改造后的实际折流板间距为1 055 mm，支撑板间距总和为4×1 055=4 220 mm。

(2)加工定距管 因折流板间距缩短，需要将80根长度为1 155 mm的定距管重新车床加工至1 059 mm。

(3)引穿U形管 ①穿管前，用丙酮清洗管头，进行除油、除脂。②穿管时，对于同种规格U形管，应先保证R部位在同一轴线上。③换热管穿入一排时，应及时进行点焊。④穿管过程中，不能对换热管进行强行敲打，如U形管R部位发生变形，必须修理至R合格后再进行穿入。⑤相邻两排U形管R部分纵、横间隙应当严加控制，不得随意拉大。⑥换热管R部位上、下应平行，不得有翘曲变形发生。对于损伤严重的换热管，不能修复的采取报废处理。

3.5换热管与管板连接接头焊接

3.5.1焊接性分析[13-17]

本设备换热管与管板连接接头的焊接为镍基材料焊接，此种焊接容易产生热裂纹。Ni与S、P及NiO等都能形成低熔点共晶，而其凝固时常形成粗大的树枝状奥氏体结晶，低熔共晶杂质易集中于晶界并在凝固收缩应力和焊接应力作用下形成裂纹，同时固液相间距小，流动性低，在焊接快速冷却条件下气相来不及析出便会形成气孔。因此，在保证焊接质量的前提下，在焊接工艺允许的焊接规范内尽量采用较小的焊接线能量、短弧焊及不摆动的焊接方法，同时需要控制层间温度。每一道焊接完毕后，彻底清除熔渣，起、收弧部位应错开，每一道焊接完毕后按照文献[12]进行100%渗透检测，I级合格[12]。

3.5.2焊接前准备

采用丙酮或乙醇溶剂清洗去除坡口周围油污、水分及其他污染物。

3.5.3焊接过程

待坡口清理干净后，选择焊接技术良好的焊工开始焊接换热管与管板的连接接头。焊接时，第1道采用手工钨极氩弧焊自熔，第2道采用手工钨极氩弧焊填丝，工艺见表1。焊后应分别对第2道和第3道焊接接头表面按照文献[12]进行100%渗透检测，I级合格。

表1 换热管-管板焊缝焊接工艺

渗透检测合格后，组装壳程筒体与管箱筒体，并对壳程侧通入0.6 MPa的压缩空气，对换热管-管板的连接接头进行气压泄漏试验。

气压泄漏试验合格后，采用表1所述手工钨极氩弧焊工艺对换热管与管板连接接头进行第3道焊接，焊后再次按上述过程对此连接接头进行100%渗透检测以及气压泄漏试验。

在渗透检测以及气压泄漏试验合格后，对所有换热管与管板连接接头进行胀接，并且需要逐根记录胀管参数。

3.6壳程水压及氨渗漏试验

胀管结束并且检查合格后方可组装壳程试压组件，随后对壳程进行水压试验，试验压力为3.54 MPa，保压至少30 min。水压试验过程中要求水温不得低于15 ℃，水中氯离子质量浓度不得大于15 mg/L。

水压试验完毕后，对壳程按照HG/T 20584—《钢制化工容器制造技术要求》附录A中的规定进行B法氨渗漏检查[18]。

3.7管箱组焊及管程水压试验

按原图样及工艺要求组焊管程隔板，焊后需对隔板焊接接头表面按照NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第4部分：磁粉检测》进行100%磁粉检测，I级合格[19]。

磁粉检测合格后组装管箱试压组件，并对管程进行水压试验。试验压力23.13 MPa，保压至少30 min。水压试验过程中,控制水温不得低于15 ℃，水中氯离子质量浓度不得大于15 mg/L。

水压试验过程中，设备无泄漏、无可见变形及无异常响声方为合格。

3.8总装发货

待水压试验后应当对设备全面吹扫及清理，封闭接管法兰各端口，按原图样要求重新进行喷丸、油漆、充氮(充氮压力0.05 MPa)，检查合格之后包装发货。

4 结语

采用合理的返修方案对蒸汽发生器换热管与管板连接接头进行返修，返修工期及返修成本大幅度降低，且蒸汽发生器已安全运行至今，得到了业主的一致肯定。由此不仅验证了返修方案的可实施性，而且也为此类热交换器检修积累了宝贵的经验。

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(许编)

更正说明

因作者疏忽，《石油化工设备》2017 年第46卷第2期上发表的《大直径超薄壁容器立式装焊工艺》一文中(文章编号1000-7466(2017)02-0039-05)，作者栏“马玉梅”的署名有误，现更正为“马玉玫”，特此说明。

《石油化工设备》杂志社

RepairMethodsforSteamGenerator

SHICheng-long1,2,YAOBo-gui1,2,PANXiu-juan1,2,HUANGLong1,2,ZHANGJian-xiao1,2,XUHong1,2

(1. Lanzhou LS Heavy Equipment Co. Ltd., Lanzhou 730087, China; 2. Pressure Vessel Special Material Welding Key Lab Cultivation Base of Lanzhou, Lanzhou 730087, China)

The leakage process of the high temperature & high pressure heat exchanger which is used as reaction effluent steam generator in aromatic hydrocarbon project No.2 unit plant of a certain refinery and its repair process were detailed. The safety operation after the repair proves that the repair construction plan is reasonable and reliable, and can minimize the possibility of the weld joint to leak again, which can be taken as examples for similar heat exchanger weld joint leakage problems.

heat exchanger; high temperature; high pressure; repair plan; pipe-tubesheets joint; leakage

TQ050.7； TE965

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.007

1000-7466(2017)04-0034-05①

2017-02-28

石承龙(1988-)，男，甘肃兰州人，助理工程师，学士，主要从事压力容器焊接技术及其设备自动化研究工作。