縮進坡口角焊技術在換熱器維修中的應用

李建法，張寶莉

（榆林職業技術學院， 陜西 榆林 719000）

縮進坡口角焊技術在換熱器維修中的應用

李建法，張寶莉

（榆林職業技術學院， 陜西 榆林 719000）

列管式換熱器管板與換熱器連接處的泄露是換熱器在使用中最容易出現滲漏故障的地方，且很不容易通過現場維修解決。本文結合企業維修實踐操作及相關工程計算，探索總結出一種利用縮進坡口角焊技術成功解決化工企業生產過程中列管式換熱器滲漏的維修方法，為以后類似化工換熱設備維修提供了新的技術途徑。

角焊；換熱器；維修

在化工生產中，由于換熱設備在高溫高壓下工作的特性，使得換熱器管板與換熱器連接處的泄露成為換熱器最容易出現滲漏故障的地方，而且還很不容易解決，因此，在化工生產實踐中，常常出現換熱器使用時間不長，設備其他部分完好無損卻無法使用而返廠大修或報廢的情況，給企業造成很大的損失。所以，研究現場維修的技術解決換熱器滲漏問題，對提高企業的生產效率和降低設備維修費用意義重大。為此，筆者結合企業檢修實踐和理論計算，總結出通過縮進坡口角焊技術解決維修換熱器滲漏裂縫的技術方法。

廢熱鍋爐是合成氨化工企業常見的設備，但合成塔合成氣出口的廢熱鍋爐卻容易泄露。下面以西北某企業合成氨裝置的換熱器——合成塔合成氣出口廢熱鍋爐的檢修為例來說明該技術。該企業合成氨系統停車檢修中，合成塔合成氣出口的第一臺換熱設備——廢熱鍋爐的兩個換熱管頭角焊縫出現泄露。常規方法都是對泄漏點進行補焊作業修復，但如果方法不當，技術運用不好，很容易出現反復滲漏現象，而且會越來越難以修補。為解決這個問題，筆者與有關技術人員對企業的合成塔合成氣出口廢熱鍋爐經過幾次的維修，在不斷總結改進的基礎上，通過技術攻關，科學計算，精心操作，成功地維修好了該換熱器并且穩定運行2年多，為企業降低了維修費用，節約了維修時間，縮短了維修周期，提高了生產效率。

1 設備故障及初次維修

需要維修的廢熱鍋爐屬于三類壓力容器，該設備的工作狀態是：介質為NH3、H2、N2組成的混合氣。工作溫度和壓力如下：

殼程工作壓力： 4.23 MPa，工作溫度：220 ℃。

管理工作壓力：14.02 MPa，工作溫度：400/400 ℃。

殼程設計壓力：4.9 MPa，設計溫度：280 ℃。

管理設計壓力：16 MPa，設計溫度：440/320℃。

因設備圖紙廠方保密，維修組成員只能到現場結合示意圖了解廢熱鍋爐結構：該換熱設備為U形管換熱器；管板與殼體、管箱的連接方式是GB151—1999《管殼式換熱器》[1]中圖18的“b型”結構，即管板與殼體、管箱三部分用焊接方法連接成一個整體（見圖1）。

圖1 GB150內設備連接插圖Fig.1 The illustration of GB150 device connection

U形管換熱管的布排方式比較特殊，管子的進口部分集中在管板的中心Ф660 mm的范圍內，出口管處于管板的邊沿，呈環向分布；在二者的中間有一高于管板表面200多毫米的支撐圈，用于連接混合氣進口總管及連接到管板的進口換熱管，形成一個進口通道。該設備管板直徑Ф1 100 mm，厚度260 mm，且為復合管板，復層厚度6 mm，基層和復層（堆焊層）材料為SA-336 F22及CL-3。換熱管共180根，其規格是Ф32X2.5 mm，換熱管材料為SA-213.T22。（見圖2）。

圖2 生產設備內連接插圖Fig.2 The illustration of production equipment connection

因該換熱設備只使用了一年時間便出現問題，原設備制造廠也很重視，派人來現場指導維修，并帶來了焊條、焊絲及焊接工藝。第一次補焊后，發現補焊后泄漏點越多了，而且發現之前對20多個U形管已進行了管頭封堵焊接的焊縫也再次出現泄漏。

2 分析失敗原因 二次維修仍未成功

針對上述問題，為了進一步查明問題原因，維修人員首先再次認真查看示意圖紙，了解設備相關參數和材質。然后，詳細分析泄露發展過程和第一次補焊作業過程：最初兩個泄漏的管頭在出口管部分，是管頭與管板的角焊縫發生泄漏。進口管部分的全部管頭在支撐圈以內，且每個管孔都插入一個耐高溫導引管，最上端有一20 mm厚的小管板將耐高溫導引管固定在支撐圈上。管板復層材料是耐高溫鉻鎳合金，換熱管材料是耐熱鋼。直徑只有 1.1米的管箱空間有限，補焊很不方便。

補焊所用焊絲是由制造廠家帶來的進口焊絲，焊前預熱到250 ℃后進行了補焊。開始用耐熱鋼焊絲進行焊接補焊，原來泄漏的地方經補焊不漏了，但是相鄰的管頭受焊接熱循環的影響出現新的泄漏。維修組與廠家分析后認為是焊接工藝問題或者是現場施焊操作問題，于是重新制定補焊工藝，采用鎳基焊絲進行補焊。但結果是補焊的管頭越來越多，而且不少管頭的焊縫將管子拉裂了。制造廠家認為該設備管頭的泄漏在現場已無法處理，只能拆除返廠，更換換熱管。這意味著，該廠合成氨系統至少要停產一個多月，將帶來很大的生產損失。

3 深入研究 精確計算 確定新的方案

為了縮短檢修時間，維修組組織技術力量和有關專家，爭取現場解決，維修好該設備。為此，維修小組請來了其他企業的設備專家，高等院?？蒲腥藛T認真研究。經過認真分析，精密計算，確定了坡口角焊修補新方案。

3.1 確定換熱管的裂紋深度

維修組在有裂紋的換熱管中找了一個裂紋較深的管子進行檢查，將管頭用管子坡口機切掉管板平面以上部分，用滲透著色的方法檢查。發現管子端面低于管板平面以后端頭裂紋消失，說明具備下一步維修操作的基礎。

3.2 處理裂紋及泄漏管頭的焊縫

把修補時用各種不同的焊絲所焊的焊縫去掉；將換熱管出現泄漏的端頭去除；由于管箱與管板是焊接連接，無法拆除，耐高溫導引管、20 mm厚的小管板以及支撐圈對裂紋及焊縫去除、補焊作業影響很大，而且不取掉它們，U形管的另一端也無法封堵；因此決定先拆掉管板上附件，修補后恢復。

3.3 計算焊接強度

確定能否滿足設備工作溫度和壓力要求。去除原有焊縫，消除管端頭的裂紋，換熱管的端頭低于管板平面，換熱管與管板的組合焊縫在補焊時也只能變成角焊縫了。這樣的處理能保證焊縫的強度嗎？因現場檢修不宜進行破壞性試驗，所以檢修組采取理論計算來確定焊接后強度能否滿足該換熱設備工作要求。

3.3.1 換熱管的軸向應力計算

查GB151.附錄J，換熱管金屬截面積：

按三種工況分別計算

（1）只有殼程設計壓力Ps=4.9 MPa，管程設計壓力 Pt=0 σt=17MPa

（2）只有管程設計壓力Pt=16 MPa，殼程設計壓力Ps=0 σt=39.536MPa

（3）殼程設計壓力和管程設計壓力同時作用σt=22.528MPa ；查 GB/T3077—1999 SA—213 T22（相當于12CrMoV）耐熱鋼[2]，常溫下許用應力［σ］tt= 93MPa（溫度升高，強度升高）。

以上三種工況的計算值均小于換熱管設計溫度下的許用應力［σ］tt= 93MPa

3.3.2 換熱管和管板連接拉脫力計算

σt取以上計算最大值σt=39.536MPa

l1—換熱管最小伸長度

l3—最小坡口深度

4 精心操作 設備維修成功

焊接前，首先采用手持式管子氣動坡口機進行焊縫的清除及管子端頭的切削，將高出管板表面的管子及角焊縫削平；然后更換刀頭將換熱管端頭削至低于管板表面3 mm深度；用45°刀頭將管板換熱管孔加工成3×45°的倒角結構（見圖 3）。采用滲透探傷方法檢查,結果顯示缺陷完全清除，具備開始焊接的條件。

圖3 焊接倒角結構示意圖Fig.3 The illustration of welding angle structure

焊前將補焊面預熱至100～150 ℃，采用遠紅外加熱帶在管板所處的設備外側加熱預熱管板，在管板表面用煤氣直接加熱預熱，達到預熱所需溫度后再開始補焊。

采用焊絲直徑Ф2 mm的牌號為AT-ERNi82（型號ERNiCr-3）進行氬弧焊焊接。焊接電流90～130安培，氬氣流量9 L/min，焊接層數2層（見圖4）。焊后進行外觀檢測合格，然后用遠紅外加熱帶加熱到 300 ℃進行消氫處理，等管板表面溫度降至 50℃以下后進行滲透檢測，結果為I級合格。然后水壓試驗也未發現泄漏?；謴桶惭b支撐圈、小管板、高溫引導管及進氣管等，還原設備，投入使用。

圖4 管板及管路連接示意圖Fig.4 The illustration of connection between tube plate and pipe

4 結束語

目前，該設備經維修后正常運行 2年多，再未出現任何泄漏裂縫等問題。說明運用縮進坡口角焊技術維修列管式換熱器管頭滲漏的技術方法是可行的，這對以后維修類似換熱器問題提供了寶貴的成功經驗。可以大大節約拆除、安裝、運輸及返廠修理費用，縮短維修周期，減少生產系統的停車損失。同時，這種維修換熱管頭縮進管板平面的管頭角焊技術技能以及維修方法，對化工生產中的其他壓力容器制造及檢修也具有重要的參考價值和啟發意義。

［1］GB151—1999管殼式換熱器 [S]. 北京：中國標準出版社，1988：58-60.

［2］GB/T3077-1999合金結構鋼 [S] . 北京：中國標準出版社．

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，陜西榆林人，副教授，1995年畢業于延安大學有機化工專業，研究方向：化工職業技術教育教學工作。E-mail：lijianfa308@126.com。