列管式热交换器换热管-管板焊缝无损检测方法

2019-10-11，，，，，,

石油化工设备 2019年5期

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(1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州 730070； 2.上海石油化工换热设备工程技术研究中心，上海 201518； 3.北方华锦化学工业股份有限公司检验中心，辽宁盘锦 124000)

列管式热交换器是目前石油化工生产上应用最广的一种热交换器，它主要由壳体、管板、换热管、封头及折流板等组成。按结构特征分为固定管板式、浮头式、U型管式等形式。无论何种形式，在使用中均存在泄漏风险。热交换器渗漏是热交换器使用中最为常见的设备故障之一，而管板与换热管连接处的换热管与管板焊缝尤其容易发生泄漏，导致热交换器失效。

渗漏主要是腐蚀和制造缺陷造成的，而某些类型的腐蚀也是由于制造过程的缺陷间接引起的，因此在产品制造时保证换热管与管板焊缝质量达标至关重要。无损检测是保证焊缝质量的重要手段，在不损坏试件的前提下，以物理或化学的方法为手段，借助先进的技术和设备，对试件内部及表面的结构、性质和状态进行检查和测试。

射线检测、超声波检测、磁粉检测和渗透检测是开发较早、应用最广的4大常规无损检测方法。射线检测和超声波检测主要用于试件的内部缺陷检测，磁粉检测和渗透检测主要用于探测试件表面缺陷。管头管板焊缝形式较多而且结构复杂，其焊缝缺陷的检测需要运用多种常规和非常规无损检测方法。文中基于热交换器生产制造实践，针对几种常见换热管与管板焊缝形式，分析不同焊缝缺陷适用的无损检测方法[1-4]。

1 常见换热管与管板连接焊缝形式及易产生缺陷

1.1 换热管与管板连接焊缝形式[5]

换热管与管板连接的形式有强度胀接、强度焊接、密封焊、胀焊并用及内孔焊等，其中密封焊和强度焊在生产制造中应用较多。密封焊形式见图1，强度焊形式见图2～图5。

图1 换热管与管板密封焊形式

图2 换热管与管板强度焊形式1

图3 换热管与管板强度焊形式2

图4 换热管与管板强度焊形式3

图5 换热管与管板强度焊形式4

图1～图5中，d为换热管外径，δt为换热管壁厚，l为强度焊焊脚高度，mm。

1.2 换热管与管板连接焊缝常见缺陷[6-7]

1.2.1热裂纹

由于管板一般较厚，而换热管与管板焊缝熔池冷却速度较快，故焊缝结晶时易造成晶内和晶间偏析。偏析物多为低熔点的共晶物及杂质，其熔点低，再结晶过程中以液态存在的物质受到拉应力作用可能开裂产生热裂纹。裂纹缺陷多在此焊缝中，常垂直于焊缝存在。

1.2.2气孔

焊接熔池在高温时吸收了过多的气体，冷却时来不急逸出而留在焊缝金属内形成气孔。再有，焊缝坡口、管头等位置清理不当存在油污、水分等也可引起气孔。焊接操作气体保护不到位、保护气体不纯及操作不当等都可产生气孔缺陷。换热管与管板焊缝中有单个气孔、条形气孔、虫形气孔、链状气孔及密集气孔等形态。所有气孔中，贯穿性或近贯穿性气孔危害最大。

1.2.3夹钨夹渣

氩弧焊焊接操作时，保护钨极烧损熔进焊缝熔池，形成夹钨缺陷。坡口有污物时也可能产生夹渣缺陷。夹渣和夹钨多单个存在，也有多个或密集存在。

1.2.4未焊透

坡口加工不合理、焊接电流过小、电压过高或焊接参数不当等可造成焊缝根部未焊透，此缺陷可能是缝隙腐蚀裂纹的源头。未焊透发生在焊缝根部，有可能在局部，也有半圈或整圈存在的。

1.2.5未熔合

焊接操作不当，如焊接电流过小、焊接速度过快等可能造成根部、层间和坡口的未熔合，此缺陷是面积型缺陷，较少焊缝承载，造成应力集中。

2 换热管与管板焊缝无损检测常用方法及其选用

2.1 渗透检测法

渗透检测是在制造中和在役应用最多的一种换热管和管板焊缝检测方法，能检测任何金属材料的表面开口缺陷，包括换热管和管板焊缝外表面存在的缺陷。对于换热管和焊缝数量多的热交换器，焊缝之间距离较近，采用溶剂去除法即可方便检测所有焊缝。渗透检测用时短、结果直观，可针对任何金属材料进行。对普通碳钢、不锈钢及钛、镍基等其他材料均可采用渗透检测，对开口气孔、表面裂纹的检测效果尤其明显。

渗透检测也有局限性，不能用于表面下的任何缺陷以及内部或根部缺陷的检测。应用到强度焊的几种焊缝时，很多内部缺陷都不能有效检出，而这些缺陷对产品的使用性能有时是关键性的。此外，换热管和管板焊缝表面有油污等杂质时也会影响检测效果，有过渗透检测后产品压力试验时发生泄漏的情况。检测结束后的清理也需要注意，需要把渗透剂、显像剂(图6)等清理干净才可进行后续压力试验。对于要求较高的焊缝可采用荧光法检测。

2.2 磁粉检测法

磁粉检测可检测被检对象的表面及表面下缺陷，不管缺陷是否开口，均可检测出。对于深度不是很深的焊缝缺陷，磁粉检测应该是表面检测的不错选择。磁粉检测方法能有效检测出换热管和管板焊缝表面下各种隐藏缺陷，不管缺陷是否开口，均可检测出。需要注意的是，磁粉检测对检测对象的材质有限制，只能针对铁磁性材料制成的换热管和管板焊缝，如10钢、铬钼钢等，对奥氏体不锈钢则不适用。

磁粉检测方法有多种，进一步的选择应基于材料性质、换热管数量及管间距等设备参数进行。当换热管间距较大时，可选择单磁轭法；当间距较小时，可选触头法。不管哪种方法，由于换热管的开孔破坏了管板的连续状态，磁力线均变形严重，因此必须用试片验证。要保证磁极和被检工件之间的有效可靠接触，采用触头法还要注意工件过热对材料性能的影响及打火烧伤问题。

图6 换热管与管板焊缝表面渗透检测图片

2.3 棒阳极射线检测法[8-14]

棒阳极射线检测技术原理见图7。

图7 棒阳极射线检测原理图

该技术是一种管子-管板角焊缝射线检测技术。按照射线的种类和射线发生装置，管板角焊缝射线检测技术分为X射线和γ射线2种。

X射线技术采用的射线源为棒阳极X射线机，γ射线技术一般用小焦点Ir192放射源。X射线具有检测灵敏度高、曝光时间短、对人员伤害小和防护方便等优点，在实际生产制造中得到了广泛应用，而γ射线只是X射线技术受限时的补充方法。因此，棒阳极射线检测技术实为管子-管板角焊缝X射线检测技术，其现场检测实物图见图8。

图8 换热管-管板焊缝棒阳极射线检测现场实物

棒阳极射线检测技术采用特殊的微焦点X射线发生装置，对换热管进行适当的厚度补偿，采用向后透照的技术，能够拍摄出清晰的角焊缝影像，灵敏度高、检测速度快且现场适应性好。从检测功能划分，棒阳极射线检测是一种内部缺陷检测方法。棒阳极射线检测技术的使用，有效降低了热交换器的腐蚀隐患和泄漏几率。

据德国巴斯夫公司统计，棒阳极射线技术的应用使该企业的热交换器意外泄漏率从17%～18%下降到2%～3%。NB/T 47013.2—2015《承压设备无损检测射线检测》附录A 中规定，管子-管板角焊缝射线照相技术的检测范围为，被检测的管子内径应在12.5～80 mm，厚度在1.5～5 mm，用于制作焊接接头的金属材料包括钢、钛及钛合金、镍及镍合金、锆及锆合金。但此规定只针对密封焊结构，对强度焊结构无具体要求，当强度焊坡口较深或换热管伸出管板较长时，缺陷影像的放大作用明显，具体实施时可根据实际情况确定。

采用棒阳极射线检测换热管-管板焊缝有3个关键点，①选择合适的检测设备。不同设备的焦距不同、其能量电压不同，探测焊缝的尺寸就有差异，包括换热管直径、壁厚、焊缝形式等，应根据被检对象的特点选用最优的检测设备。②选择合适的棒阳极适配器。要想拍摄出效果理想的射线底片，必须制作精良的棒阳极适配器，即适合配置的射线附属仪器，其按照焊缝(强度焊、密封焊、焊脚)、换热管(直径、壁厚)、管板(壁厚)的不同需要均匀化补偿射线的能量差，保证投影到射线底片上的影像基本均匀，焊缝清晰，灵敏度高。③准备适宜的灵敏度试片。灵敏度试片的形式和缺陷对比尺寸，需要依据相关无损检测标准并结合用户的具体要求进行个性化制作。其他相关注意事项包括防止背散射、胶片准备等。

2.4 超声波检测法[15]

2.4.1技术特点

超声波检测方法是检测换热管-管板焊缝内部缺陷的另一种方法。相比射线检测方法，该方法特点突出，优势明显。在技术上，它适用的检测范围更广，对缺陷的定位更准确，检测结果的灵敏度更高，检测速度更快。在经济性上，它的检测成本更低。在操作上，使用的设备轻便，对人和环境无害。

2.4.2技术应用注意事项

(1)探头的选型进行管头超声波检测时，探头放置在换热管内部，其接触面应能对换热管的曲面有良好的适应性，不能选用常规探头。由于是穿透管子检测焊缝，探头种类选双晶探头为佳。针对横向和纵向缺陷，分别选择纵波探头和横波探头用于检测。横波检测时，要调整晶片角度使声束交叉于检测区，还要使声束倾斜入射，在被检测工件中产生横波。由于管壁薄，管子外壁底面反射波和缺陷波容易混淆。

(2)检测设备的定制根据换热管规格、厚度及应用等具体信息确定适宜的检测灵敏度，同时还要保证检测设备使用的稳定性，检测结果要有良好的水平和垂直线性，分辨率也要高。超声波检测仪器与探头的组合性能要在专制试块中进行调节，参数准确无误才能进行检测。

(3)检测过程控制对于管头焊缝检测，由于换热管的内部空间非常有限，容易产生探头放置后接触严重不良、耦合不好、声能损失大、杂波多及探伤灵敏度低等情况。检测焊缝时，需要穿透换热管壁厚进行检测，检测操作容易造成焊接结构的径向及横向损伤。

(4)检测中的协同配合检测过程中，综合考虑各因素的影响，协同配合各参数。检测时要边扫查边观察波形，扫查速度不能快，要找出缺陷确定最高回波准确位置。综合考虑管头形式、管壁等结构形成的回波对检测结果的影响。

(5)人员培训实施检测前，需要对人员进行管头超声波检测各项参数的培训，使其充分了解设备仪器与探头的组合性能，了解小管头检测探头与常规探头检测的不同。在检测过程中，务必严格按照各项要求进行，随时了解各参数的变化。检测后，还要认真分析，做好记录。

2.4.3检测实践

采用超声技术检测换热管与管板焊缝时，需选定管头焊缝超声波检测用的设备，根据不同焊缝形式选定适合管头焊缝超声波检测的检测工艺，包括不同尺寸、不同频率、不同聚焦深度的探头，特殊的灵敏度试块，增益大小，扫查方向和速度等。采用双晶曲面纵波、双晶曲面横波小尺寸超声波专利探头可分别检测出管子-管板角焊缝内部的周向和径向缺陷[16-17]。换热管-管板焊缝超声波检测工作现场见图9。

图9 换热管-管板焊缝超声波检测工作现场

使用超声波方法检测焊缝内部缺陷的实践表明，对于直径25 mm以下的换热管-管板焊缝，由于换热管内径小、管壁薄且检测的难度较大，故该方法针对密封焊的检测效果不佳。对直径大于25 mm的换热管焊缝，超声波方法可达到1 mm×2 mm的孔检测灵敏度，但检测时需要制作特殊探头和专用曲面校准试块。

2.5 相控阵检测法

相控阵检测技术采用相对超声波探头晶片更小尺寸的相控阵探头，将其放置在换热管内部，对换热管和管板焊缝进行扫查。设置好扫查角度及焦距，针对焊缝中的不连续可通过反映焊缝结构形式有效检出焊缝缺陷，同时可用编码器周向定位。但是同样受限于换热管尺寸及多晶片探头尺寸，检测有一定的局限，如换热管尺寸较小、探头需要制造成更小尺寸及存在放置空间有限等。

2.6 检测方法选择要点

在热交换器介质不太苛刻，不严禁发生泄漏或有强度胀部分保障，或有基本的密封焊结构时可只进行渗透或磁粉检测。对于铁磁性材料，优先选用磁粉检测。但是若结构或设备受限，也可采用渗透检测，要求较高时可每焊接一层进行一次渗透检测，同时注意渗透剂要清理干净，否则会对后续的焊接及其他工作造成质量影响。

当介质很苛刻，严禁发生泄漏或用户明确要求的情况下，要进行内部缺陷检测。根据产品、现场及设备结构等情况合理选用棒阳极射线检测、超声波检测、相控阵检测或几种方法共同使用。棒阳极射线检测结果直观，灵敏度较高，但是设备投入较大，检测费用也高，底片评定需要一定经验，同时有辐射危害，不同管头伸出长度对检测结果影响较大。超声波检测需要制作专用的双晶曲面小尺寸探头，同时需要专用的校准试块，对检测人员要求较高，但检测速度快，检测灵敏度也较高，检测费用低，不受场地和空间限制。相控阵技术还没有相应的检测标准，但检测结果也较直观，对设备、探头及人员的要求较高。

不论是内部的棒阳极射线检测、超声波检测和相控阵检测，还是表面的渗透和磁粉检测，都有其一定的局限性，万不可相信检测后焊缝质量就一定可靠。

3 换热管与管板焊缝其他检测方法[18-19]

3.1 气泡检测法

气泡检测就是气密试验，可以在热交换器换热管-管板焊缝表面喷刷起泡液或直接把设备浸泡进液体内，起泡液不可用家用洗涤剂，要保证形成气泡时不会迅速破裂。设备的检测一般采用干燥的空气，压力至少保持15 min，若焊缝表面有连续气泡出现，可判断有穿孔缺陷存在。

3.2 氦检漏检测法

氦检漏法利用氦检漏仪对氦原子的高度敏感特性检测焊缝致密性。氦检漏检测现场见图10。

图10 氦检漏检测现场

按照充氦部位, 氦检漏技术划分为嗅吸探头技术、示踪探头技术和护罩技术3种。常规换热管-管板焊缝的缺陷检测一般使用嗅吸探头技术。检测时，先对氦检漏仪预热和校准，对设备壳程充入体积分数不低于10%的氦气，保压时间不小于30 min，从下往上按顺序逐个焊缝检测。当有微小泄漏时，检测仪器就会及时报警，一般检测泄漏率可以达到10-5Pa·m3/s。