護(hù)航熱交換器安全可靠運(yùn)行

文/顧明

熱交換器管子-管板接頭的焊接、射線檢測與過程控制——本文介紹了德國巴斯夫公司的金屬列管式熱交換器的管子-管板接頭要求－設(shè)計(jì)、制造以及試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（E-S-MC 931:2016）中對(duì)管子-管板接頭的焊接、內(nèi)部缺陷檢測和過程管理部分的要求，該標(biāo)準(zhǔn)已在巴斯夫公司世界各地包括中國的石油化工項(xiàng)目得到普遍實(shí)施，部分參與巴斯夫項(xiàng)目的中國制造廠的熱交換器管子-管板連接接頭制造質(zhì)量得到顯著提高，明顯降低了泄漏及引起的各類事故損失，取得明顯經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)了我國熱交換器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的進(jìn)步。

熱交換器是煉化行業(yè)最主要工藝設(shè)備之一，煉化工業(yè)的不斷發(fā)展已經(jīng)使得裝置和裝備的大型化得到了充分的發(fā)展，管殼式熱交換器目前還是得到最多應(yīng)用的熱交換器設(shè)備形式，其在使用中發(fā)生的最普遍問題之一就是管子與管板連接接頭（以下簡稱“接頭”）失效造成泄漏，進(jìn)而造成裝置運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)如停車的經(jīng)濟(jì)損失，環(huán)保、安全等其他事故造成的其他損失。

充分考慮了設(shè)計(jì)因素后，在制造過程中如何有效保證接頭質(zhì)量成為保證熱交換器長期安全、穩(wěn)定以及可靠運(yùn)行的重要因素，改革開放后對(duì)外合作需要使得廣泛使用的國際標(biāo)準(zhǔn)和一些國際大公司規(guī)范在國內(nèi)得到比較普遍采用，促進(jìn)了國內(nèi)制造業(yè)的設(shè)計(jì)、制造水平。

德國巴斯夫公司E-S-MC 931：2016《管子-管板接頭要求－設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》是在金屬制熱交換器方面很有特色的一個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本文僅介紹其中對(duì)接頭的焊接和內(nèi)部缺陷檢測（主要是射線檢-RT）以及過程控制要求，該標(biāo)準(zhǔn)已在巴斯夫公司世界各地石油化工項(xiàng)目得到普遍應(yīng)用并經(jīng)數(shù)次修訂，統(tǒng)計(jì)顯示對(duì)接頭做內(nèi)部缺陷檢測后熱交換器投用3 年內(nèi)發(fā)生泄漏概率比不做的降低了90%以上。

自上世紀(jì)末在國內(nèi)一些制造廠成功實(shí)施以來，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的其它要求的實(shí)施極大提高了國內(nèi)熱交換器制造質(zhì)量，也促進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的進(jìn)步。

概述

對(duì)于需對(duì)接頭做射線檢測的熱交換器，制造廠需按規(guī)定程序執(zhí)行下列工作：按規(guī)定編制模擬件焊接工藝評(píng)定文件并獲得業(yè)主方批準(zhǔn)；準(zhǔn)備模擬件材料；提前正式通知業(yè)主見證模擬件的制作和檢驗(yàn)全過程，出具評(píng)定報(bào)告；檢驗(yàn)合格僅代表參與考核的焊工取得設(shè)備上接頭的焊接資格，且其資格在一定期限內(nèi)有效；設(shè)備制造過程中接頭焊接前后全過程仍需在業(yè)主或其檢驗(yàn)代表的檢驗(yàn)監(jiān)督之下完成；對(duì)設(shè)備的接頭做射線檢測并出具報(bào)告；其他檢驗(yàn)合格后即得到合格的接頭。

必須按要求編制項(xiàng)目文件且獲得業(yè)主批準(zhǔn)，接頭焊縫的基本要求見圖1：t ≥ 2 mm時(shí) r ≥ 0.9 t；t< 2 mm 時(shí) r ≥ t，表1 是焊接接頭優(yōu)先采用的形式，采用其他形式必須事先征得業(yè)主同意。

焊接接頭制造通用要求

管束組裝前管頭、管板和折流板等檢驗(yàn)合格且達(dá)到規(guī)定的清潔標(biāo)準(zhǔn)，焊接區(qū)域的清潔狀態(tài)必須保持到焊接工作完成。制造廠必須做好過程檢查的準(zhǔn)備工作，保證管頭和管板孔能可被檢查到處于清潔狀態(tài)。

施焊前需要對(duì)管頭定位或固定：可采取定位脹；碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼和雙相鋼可采用有焊材或無焊材點(diǎn)焊（無焊材時(shí)采用TIG 工藝），管板垂直安裝時(shí)定位點(diǎn)焊的位置在時(shí)鐘12 時(shí)方位；不得在焊接區(qū)域使用有色金屬、鋅材和低熔點(diǎn)合金工具（如推拔工具、錨片以及脹接工具頭等）；不得采用先脹后焊工藝。

圖1 中t 為換熱管最小壁厚，接頭焊接要求：至少焊二層焊道。只能采用下列焊接方法：GTAW（TIG）（手工焊或全機(jī)器焊時(shí)）、GTAW/SMAW 氬電聯(lián)焊以及SMAW 手工電弧焊。僅在使用機(jī)器焊接垂直擺放管板時(shí)允許下坡焊工藝；收弧點(diǎn)必須越過起弧點(diǎn)兩倍于焊道寬度的距離。多道焊時(shí)，后續(xù)焊道須完全覆蓋底部焊道，且起收弧點(diǎn)須與底部焊道起收弧點(diǎn)錯(cuò)開。焊肉延伸超過管子內(nèi)側(cè)的尺寸允許值要求見表2 序號(hào)9。上述要求和可能出現(xiàn)的局部返修均需編成方案，事先得到業(yè)主批準(zhǔn)（本文不介紹對(duì)接頭的脹接要求）。

圖1 確定焊縫厚度尺寸“ r ”（r ：焊肉厚度，t ：管子最小壁厚）

表1 接頭型式和尺寸要求（注：公差按ISO 2768 m 級(jí)）

焊接接頭制制造方法評(píng)定（模擬焊接試驗(yàn)）

準(zhǔn)備和施焊

制造廠都需經(jīng)過模擬焊接試驗(yàn)考核，目的之一是評(píng)定制造商的焊接工藝，其次是測試焊工的操作技能，只有按本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)考核合格的焊工才能執(zhí)行設(shè)備上接頭的焊接工作。有下列情況之一時(shí)，可以在得到業(yè)主同意后免于模擬焊接試驗(yàn): 在過去12 個(gè)月內(nèi)的與產(chǎn)品可類比的PQR 或模擬焊接試驗(yàn)報(bào)告；可比較的且有效的工藝評(píng)定試驗(yàn)或可比較的模擬焊接試驗(yàn)雖然超過了12 個(gè)月，但可查實(shí)在過去12 個(gè)月內(nèi)制造過可比較的設(shè)備；制造廠對(duì)管頭焊接經(jīng)驗(yàn)豐富且持續(xù)為巴斯夫公司制造類似產(chǎn)品，其質(zhì)保體系經(jīng)過了巴斯夫定期考核。超過期限均需要重新考核焊接工藝和焊工技能。

模擬焊接試驗(yàn)的材料分類和覆蓋按CEN ISO/TR 15608《焊接.金屬材料分類體系指南》和ISO 15614-1《金屬材料焊接程序的規(guī)范和鑒定》標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)焊工至少焊接4 個(gè)接頭供評(píng)估，如不合格則需重新考核。模擬件焊接試驗(yàn)需要包括對(duì)接頭的返修工藝，返修工藝考核需另外做最少4 個(gè)焊接接頭進(jìn)行考核，并考慮針對(duì)不同類型及部位的接頭，2 個(gè)針對(duì)局部返修，2 個(gè)針對(duì)管板上接頭全部返修的工藝評(píng)定，事先提交業(yè)主批準(zhǔn)的模擬焊接試驗(yàn)文件應(yīng)包括返修工藝文件。

制造廠必須按業(yè)主批準(zhǔn)的模擬焊接試驗(yàn)工藝提前申請業(yè)主見證模擬件制作和測試過程，根據(jù)管子外徑da，試件管子應(yīng)按下列要求排列布置，詳見圖2。

1.三角型布管

da ≤40 mm 時(shí)，不 少 于10根管子；

da ＞40 mm 時(shí)，不 少 于10根管子

b）正方形布管

da ≤40 mm 時(shí)，不 少 于12根管子；

da ＞40 mm 時(shí)，不少于9 根管子。

根部焊道應(yīng)從A-A 或B-B 截面起弧。固定點(diǎn)焊至少焊兩點(diǎn)，應(yīng)處于A-A 或B-B 截面上。須對(duì)固定點(diǎn)焊位置和類型進(jìn)行記錄；采用固定點(diǎn)焊時(shí)，根部焊道起弧點(diǎn)不得處于點(diǎn)焊位置。直至焊接完成均不允許對(duì)焊縫進(jìn)行打磨或機(jī)械加工；要求焊縫高度一致，焊肉不過度堆積。

圖2 模擬件試樣布管圖（圖中T 代表管間距； A-A 和B-B 代表宏觀截面）

圖3 對(duì)模擬焊接試樣與設(shè)備接頭的射線檢測

表2 焊接試樣宏觀檢測和射線檢測的接受標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)模擬件的檢驗(yàn)試驗(yàn)

對(duì)模擬焊接必須按本標(biāo)準(zhǔn)以及EN 15614 作評(píng)定，焊接工作完成后首先通過標(biāo)準(zhǔn)要求的過程檢驗(yàn)、最終目視檢測和表面裂紋檢測（略）。合格后把模擬件機(jī)加工到6 ～8 mm 厚度后，對(duì)所有的管-管板接頭按 ISO 17636 B 級(jí)進(jìn)行射線檢測，探傷方法如圖3 a)，接受標(biāo)準(zhǔn)見表2；沿A-A 和B-B截面切開試件（圖2），對(duì)每一接頭的截面做宏觀金相檢查。在采用一塊試樣對(duì)多名焊工的技能做評(píng)定時(shí)，要求縱、橫剖面都要包含每名參加評(píng)定焊工的焊縫；評(píng)介宏觀金相截面上每個(gè)接頭質(zhì)量，測量焊肉厚度，測試報(bào)告需體現(xiàn)每一名焊工的所有工作。對(duì)有加工硬化傾向的材料、奧氏體鋼和鐵素體鋼的異種鋼焊接等，應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)做硬度檢測；對(duì)有延遲裂紋傾向的材料，射線檢測應(yīng)至少延遲到焊接工作完成適當(dāng)時(shí)間后進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工藝評(píng)定試驗(yàn)、試樣接頭焊接以及設(shè)備接頭焊接的可比性和覆蓋范圍做了明確規(guī)定。

自動(dòng)焊試樣

當(dāng)焊接工作由自動(dòng)焊機(jī)執(zhí)行時(shí)，應(yīng)做一個(gè)與管子-管板接頭相同的試樣。其接頭焊接工作需考慮工作中可能發(fā)生的各種情況和問題，至少需要在試樣上各考慮一個(gè)這樣的焊接接頭：每臺(tái)自動(dòng)焊機(jī)每個(gè)班次開始工作時(shí)、設(shè)定機(jī)器焊接參數(shù)時(shí)、更換鎢極時(shí)、更換焊絲時(shí)以及設(shè)備發(fā)生故障時(shí)等等，其他要求同上。

設(shè)備上接頭的檢驗(yàn)和試驗(yàn)

邀請業(yè)主對(duì)接頭做內(nèi)部缺陷的檢測（RT/UT），為避免不同檢測方法的對(duì)某些缺陷存在的檢出條件限制，需執(zhí)行預(yù)先批準(zhǔn)的檢測工藝；必須采用業(yè)主委托的專業(yè)檢測承包商，滿足一定條件時(shí)也可采用制造廠或其他資源；除非特別說明，檢測工作必須在制造廠及質(zhì)保體系下完成，優(yōu)先采用棒陽極X 射線檢測方法，如圖3. b），或可采用Ir192 射線檢測方法。

由業(yè)主委托的檢測公司隨機(jī)抽取一組接頭進(jìn)行射線檢測，所選取的接頭必須包括所有施焊的焊工，且這些的接頭必須抽到：特殊結(jié)構(gòu)的、焊接位置受限的、經(jīng)過返修的以及在目視和表面檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷和有疑問的，數(shù)量一般不超過表3。

單塊管板上超過1 200 個(gè)接頭時(shí)，制造廠必須把在進(jìn)度計(jì)劃中考慮RT 和返修糾正時(shí)間，承擔(dān)糾正措施導(dǎo)致的額外費(fèi)用（包括重復(fù)檢驗(yàn)）。按照表3 要求確定檢測范圍，以每塊管板作為一個(gè)檢測工作包，對(duì)檢測和返修工作同時(shí)適用；在使用焊機(jī)完成單塊管板多于3 200 個(gè)接頭焊接時(shí)，事先經(jīng)過業(yè)主批準(zhǔn)，允許存在不符合表3的抽檢頻率。特殊情況下，因技術(shù)原因無法做RT(棒陽極和Ir192)及UT 檢測時(shí)，項(xiàng)目工程師、制造廠和業(yè)主焊接工程部門須協(xié)商一致采用其他無損檢測方法確保制造質(zhì)量，采用其他方法時(shí)管理程序與表3 同。

對(duì)接頭的評(píng)定、設(shè)備焊接、各類檢測和返修等記錄及報(bào)告都必須符合規(guī)定要求

表3 設(shè)備接頭做RT 的范圍和相應(yīng)措施（UT 時(shí)同）

射線檢測程序

按照表3 的確定每塊管板檢測的接頭數(shù)量，如果檢測出的缺陷數(shù)量達(dá)到定義的數(shù)量，則須在此管板上加倍抽取其他接頭做檢測；

如果第一次抽檢未發(fā)現(xiàn)缺陷，則接受該管板上所有接頭（執(zhí)行表3 措施 I）；

如果第一次或第二次抽檢中發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)量不超過表3 規(guī)定的上限，則接受此管板上其它未被檢測的接頭，僅須返修發(fā)現(xiàn)有缺陷的接頭，并對(duì)返修后的接頭重新檢測（執(zhí)行表3 措施 II）；

如果檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷等于或多于表3 數(shù)量上限，視為該管板上所有的接頭可能存在缺陷，執(zhí)行表3 的措施 III。典型做法是重做此管板上的所有接頭且重新檢測，返修工藝必須得到業(yè)主批準(zhǔn)，返修后重新進(jìn)行檢測評(píng)定；或在協(xié)商一致的情況下對(duì)此管板上所有接頭做100%檢測；

除非另有說明，首次檢測的費(fèi)用（表3 中第一次抽樣檢測、特殊情況下第二次抽樣檢測）屬于業(yè)主，返修及返修后重新檢測的費(fèi)用由制造廠承擔(dān)（措施II）。實(shí)施措施 III 時(shí)，制造廠承擔(dān)100%檢測費(fèi)用，或整體返修及按表3 要求重做所有檢測的費(fèi)用，制造廠還要承擔(dān)因返修和重做造成推遲交貨的責(zé)任。

評(píng)價(jià)射線檢測結(jié)果

以表2 對(duì)缺陷標(biāo)準(zhǔn)的定義（裂紋、條狀氣孔/蟲形氣孔/局部密集氣孔、未融合以及根部未焊透等）和表3 對(duì)檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)量為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)檢測結(jié)果。對(duì)氣孔和夾雜類缺陷，尺寸小于表4 限值的“小型”圓狀、橢圓狀以及細(xì)長形等氣孔類缺陷，在考慮缺陷在焊縫中的位置且得到業(yè)主批準(zhǔn)后（如：折算成缺陷數(shù)量評(píng)價(jià)），可以考慮接受。單個(gè)氣孔和單個(gè)夾雜超過表4 限定的尺寸時(shí)，即按表3 中的缺陷計(jì)算數(shù)量。不接受線性缺陷。

下列情況的密集氣孔缺陷不被接受：當(dāng)管子直徑小于25 mm時(shí)，20 mm 長焊縫內(nèi)存在3 個(gè)氣孔，或單個(gè)接頭內(nèi)出現(xiàn)6 個(gè)氣孔；當(dāng)管子直徑大于等于25 mm 時(shí)，20 mm 長焊縫內(nèi)存在3 個(gè)氣孔或單個(gè)接頭內(nèi)出現(xiàn)8 個(gè)氣孔；低于限值直徑的小氣孔可以忽略。

依據(jù)所采用的檢測技術(shù)，射線底片可能顯示被檢測管頭及其周圍的管頭的缺陷，所發(fā)現(xiàn)的周圍管頭缺陷也必須納入評(píng)價(jià)范圍，計(jì)算缺陷數(shù)量一并處理，不影響表3 的對(duì)檢測范圍的定義。

超聲檢測（UT）要求

對(duì)接頭需要做UT 時(shí)，按RT相同評(píng)估程序進(jìn)行，須采用的合適試件確定和描述對(duì)缺陷的有效檢出能力限制范圍，遞交業(yè)主做評(píng)估決定。

表4 產(chǎn)品氣孔和夾雜缺陷尺寸限值

結(jié)論

近幾十年來因德國巴斯夫等國際大公司的國內(nèi)投資項(xiàng)目，引進(jìn)了對(duì)熱交換器管子-管板焊接接頭的射線檢測技術(shù)和裝備，成功培訓(xùn)了一批國內(nèi)化工裝備制造單位和檢測人員。巴斯夫公司的《管子-管板接頭要求－設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》也隨技術(shù)、裝備的進(jìn)步和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累不斷修訂完善，從早期版本W(wǎng)N75-100 經(jīng)數(shù)次修訂到目前E-S-MC 931：2016，形成一整套完整的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，多年來不斷降低熱交換器在使用中發(fā)生泄漏失效的比例，在裝置和裝備大型化的今天，大大減少了泄漏事故隱患。

比較相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可以看出該規(guī)范的內(nèi)容框架與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 15614-8：2016 接近，但是要求更嚴(yán)，更具體量化了檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和可操作性，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值更高；專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EEMUA 143：2 017，對(duì)EN ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)作了補(bǔ)充和進(jìn)一步闡述，但未對(duì)接頭射線檢測提出更多要求。廣泛采用的ASME BPVCIX：2019 標(biāo)準(zhǔn)中要求對(duì)接頭做模擬件試驗(yàn)，做外觀檢查、滲透和宏觀檢測；TEMA-2019 標(biāo)準(zhǔn)中的要求是常規(guī)檢測按制造廠標(biāo)準(zhǔn)方法，特殊要求由雙方協(xié)議商定，對(duì)接頭的射線檢測未作專門的說明；作為對(duì)ASME 和TEMA 補(bǔ)充和進(jìn)一步闡述的PIP VESV1002-2012 和 PIP VESST002-2012 等也未對(duì)接頭射線檢測做更多要求。

技術(shù)引進(jìn)也促進(jìn)了國內(nèi)的技術(shù)進(jìn)步，雖然GB 151-2014 沒有明確對(duì)接頭的射線檢測要求，但對(duì)接頭做射線檢測的方法已列入了標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.2-2015 資料性附錄。與國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)接軌，提高國際競爭力是我國企業(yè)發(fā)展必走的路徑。