蒸汽發生器返修施工技術

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(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730087；2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點實驗室培育基地， 甘肅 蘭州 730087)

制造技術

蒸汽發生器返修施工技術

石承龍1,2，姚博貴1,2，潘秀娟1,2，黃龍1,2，張建曉1,2，徐紅1,2

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730087；2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點實驗室培育基地， 甘肅 蘭州 730087)

對某煉油廠芳烴項目二聯合高溫高壓熱交換器——反應流出物蒸汽發生器在運行過程中換熱管與管板接頭處發生泄漏及返修過程進行了詳細介紹，通過制定合理、可靠的返修施工方案，最大程度地降低了此接頭再次發生泄漏的可能性，此經驗可為類似管頭的泄漏問題提供借鑒。

熱交換器； 高溫； 高壓； 返修方案； 換熱管與管板連接接頭； 泄漏

2014-06，我公司為某化工廠芳烴項目二聯合加氫裝置制造了1臺反應流出物蒸汽發生器，其主要功能是將一回路反應流出物中的熱量傳給二回路除氧水，使其產生飽和蒸汽，用以供給二回路的動力裝置。

在該設備運行過程中，發現殼程除氧水中存在一些管程反應流出物介質，繼續運行2個月后停車進行了檢查。首先對換熱管與管板連接接頭進行100%滲透檢測，隨后對設備殼程進行多次水壓試驗,發現換熱管與管板連接接頭處有多處泄漏，約占全部接頭數量的1/2，且泄漏部位大部分集中在管程入口處。通過對泄漏換熱管與管板連接接頭進行破壞性解剖檢測后，確定了詳細的設備檢修措施[1]，文中對此修復過程進行了簡單介紹。

1 反應流出物蒸汽發生器簡介

反應流出物蒸汽發生器為釜式重沸器類型,型號為DKU 1880/3200-16/2.5-1357-6685/19-2Ⅰ，規格(內徑×厚度×長度)為1 880/3 200 mm×150/30 mm×13 020 mm，單臺設備總重約為87.6 t，其結構示意圖見圖1。

圖1 反應流出物蒸汽發生器結構簡圖

管程介質為反應流出物(特性為易爆介質)，工作溫度(進/出)為251 ℃/220 ℃，設計溫度350 ℃，最高工作壓力為15.24 MPa，設計壓力為16.0 MPa；殼程介質為除氧水(特性為第二組介質)，工作溫度(進/出)為104 ℃/190 ℃，設計溫度為225 ℃，最高工作壓力為1.18 MPa，設計壓力為2.5 MPa。

管箱材質12Cr2Mo1Ⅳ，規格(內徑×名義厚度)?1 880 mm×150 mm(min);殼體材質Q345R，規格(內徑×名義厚度)? 3 200 mm× 30 mm(min)；管板材質12Cr2Mo1Ⅳ，堆焊Inconel 625，規格(外徑×名義厚度)?1 880 mm×461 mm；換熱管材質NS1402，規格(外徑×名義厚度)?19 mm×2 mm(2.5 mm)。

換熱管與管板連接接頭采用強度焊接加貼脹，其連接示意圖見圖2。

2 換熱管與管板連接接頭泄漏原因分析

本設備前期技術條件要求換熱管與管板的連接接頭應采用強度焊加貼脹。在設備回廠后經過對換熱管與管板焊接接頭泄漏分析，發現主要發生泄漏的地方為換熱管端部伸入管板10～15 mm的內壁處。初步推測為前期貼脹可能未達到技術要求，脹接后換熱管回彈導致了換熱管與管孔存在著較大的縫隙[2]。在設備運行過程中此接頭處受到復雜的應力作用以及介質的腐蝕，加之該接頭較為薄弱，此處有極大可能發生應力腐蝕開裂[3-5]。由此推斷這種開裂主要是由換熱管與管板的縫隙中存在高濃度腐蝕介質以及蒸發器運行過程中產生振動所導致。

為防止再次發生此類泄漏問題，再次與設計院溝通并經過脹管工藝評定，決定由原有的柔性脹接改為液壓強度脹，以增加換熱管與管孔的貼合度，避免換熱管與管板的縫隙對此接頭處脹焊質量的影響[6，7]，且現場施工人員采用專用工裝加工管孔內槽，改進后的管板孔開槽尺寸示意圖見圖3。

3 返廠檢修

3.1

返修計劃

對管程進行水壓試驗，初步確定換熱管泄漏情況，并對換熱管存在的泄漏情況進行標記[8]。

機加工去除換熱管與管板焊接接頭，抽出U形換熱管，對直管段及R部位完好的U形換熱管進行清洗，并且逐根進行水壓試驗。

對設備管箱筒體及管板進行消氫消應力熱處理，并且檢測缺陷情況，采取相應檢修措施。

換熱管水壓試驗合格后重新組焊管束，焊接換熱管與管板焊接接頭，并進行相關檢測及檢查。

裝配各試壓件，按照圖樣及技術條件耐壓實驗要求，對設備管、殼程進行水壓試驗。

3.2實施過程

3.2.1管程水壓試驗

組裝管箱試壓組件，對管程進行16.0 MPa水壓試驗，保壓至少30 min。水壓試驗對介質水的要求為水溫不得低于15 ℃，水中氯離子質量濃度不得大于15 mg/L。

待管程水壓試驗后，確定換熱管R部位和直管段是否完好，并對存在泄漏的換熱管部位進行標記，做好詳細的數據記錄[9-11]。

3.2.2管束拆卸

機加工除去換熱管與管板角焊縫接頭，并且抽出全部換熱管，在取下換熱管的過程中注意保護換熱管不受損傷。

對所有取下的換熱管，采用60 ℃氫氧化鈉水溶液進行清洗，徹底清除換熱管內、外壁油污等。

考慮到取下的換熱管端部已在原來制造過程中經過焊接、脹接等過程，無法保證換熱管端部質量與后續焊接時管子伸出長度。經設計院嚴格計算，決定對完好的換熱管重新號料,根據管板尺寸，采用機械方法去除管頭端480 mm，然后每種規格換熱管各抽取10%，并對換熱管端部按照NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》進行100%滲透檢測，I級合格[12]。

對換熱管逐根進行水壓試驗，試壓前對試壓工具、壓力表及接頭等進行全面檢查合格，在試壓過程中采取專用試壓工裝，先排盡換熱管中的空氣，然后緩慢升壓至圖樣技術條件中要求的試驗壓力22.4 MPa，先保壓10 s，若無泄漏繼續保壓至30 s,檢查換熱管有無泄漏，無泄漏為合格。水壓試驗時對介質水的要求為水溫不得低于15 ℃，水中氯離子質量濃度不得大于15 mg/L[3]。

水壓試驗合格后，對換熱管進行酸洗鈍化，同時對損傷嚴重的換熱管作報廢處理，并按圖樣要求重新采購。

3.3管板返修及檢測

(1)管箱進行整體爐內消氫熱處理 由于該設備已長期運行一段時間，考慮到設備本體可能存在大量擴散氫以及內部殘余應力，為了防止在返修過程中再次出現裂紋等缺陷，需對管箱部件進行整體爐內消氫熱處理，熱處理工藝條件為：加熱溫度350～400 ℃，保溫時間4 h，冷卻方式為空冷。

(2)切割管箱分程隔板 考慮到管箱內部空間所限，導致換熱管與管板接頭焊接、貼脹不能正常進行。為保證換熱管與管板焊接、脹接質量，將管箱內分程隔板與管板連接部位完全割開。鑒于管箱部件已進行了消氫熱處理，為防止再次動火局部產生應力，在等離子氣割時必須在隔板與管板連接部位預留50 mm長度，焊縫部位至管箱內壁的距離也在50 mm左右。

(3)管板及管孔檢測 待分程隔板氣割完畢后清理管板表面，去除表面油漬銹跡，對管孔進行清理，對表面存在明顯缺陷部位進行打磨，之后對管板表面及管孔可探部位按照文獻[12]進行100%滲透檢測，I級合格。

(4)管板缺陷部位補焊 滲透檢測合格后，對管板缺陷打磨部位進行補焊，補焊前打磨清理待補焊表面油銹、水漬、滲透探傷液等雜質及殘留。補焊過程中采用小規范進行焊接且禁止擺動，收弧時注意將弧坑填滿，防止產生弧坑裂紋，控制層間溫度為15～100 ℃。補焊工藝為：采用焊條電弧焊，焊材ENiCrMo-3，焊條直徑4.0 mm，電源選用直流反接，焊接電流140～160 A，焊接電壓20～24 V，焊接速度不小于160 mm/min。

3.4組裝U形管束

(1)折流板間距調整 原圖中要求支撐板間距為1 175 mm，支撐板間距總和為4×1 175=4 700 mm。前期管頭已切除480 mm，經設計院確認將管頭切除的480 mm均布到支撐板間距上，改造后的實際折流板間距為1 055 mm，支撐板間距總和為4×1 055=4 220 mm。

(2)加工定距管 因折流板間距縮短，需要將80根長度為1 155 mm的定距管重新車床加工至1 059 mm。

(3)引穿U形管 ①穿管前，用丙酮清洗管頭，進行除油、除脂。②穿管時，對于同種規格U形管，應先保證R部位在同一軸線上。③換熱管穿入一排時，應及時進行點焊。④穿管過程中，不能對換熱管進行強行敲打，如U形管R部位發生變形，必須修理至R合格后再進行穿入。⑤相鄰兩排U形管R部分縱、橫間隙應當嚴加控制，不得隨意拉大。⑥換熱管R部位上、下應平行，不得有翹曲變形發生。對于損傷嚴重的換熱管，不能修復的采取報廢處理。

3.5換熱管與管板連接接頭焊接

3.5.1焊接性分析[13-17]

本設備換熱管與管板連接接頭的焊接為鎳基材料焊接，此種焊接容易產生熱裂紋。Ni與S、P及NiO等都能形成低熔點共晶，而其凝固時常形成粗大的樹枝狀奧氏體結晶，低熔共晶雜質易集中于晶界并在凝固收縮應力和焊接應力作用下形成裂紋，同時固液相間距小，流動性低，在焊接快速冷卻條件下氣相來不及析出便會形成氣孔。因此，在保證焊接質量的前提下，在焊接工藝允許的焊接規范內盡量采用較小的焊接線能量、短弧焊及不擺動的焊接方法，同時需要控制層間溫度。每一道焊接完畢后，徹底清除熔渣，起、收弧部位應錯開，每一道焊接完畢后按照文獻[12]進行100%滲透檢測，I級合格[12]。

3.5.2焊接前準備

采用丙酮或乙醇溶劑清洗去除坡口周圍油污、水分及其他污染物。

3.5.3焊接過程

待坡口清理干凈后，選擇焊接技術良好的焊工開始焊接換熱管與管板的連接接頭。焊接時，第1道采用手工鎢極氬弧焊自熔，第2道采用手工鎢極氬弧焊填絲，工藝見表1。焊后應分別對第2道和第3道焊接接頭表面按照文獻[12]進行100%滲透檢測，I級合格。

表1 換熱管-管板焊縫焊接工藝

滲透檢測合格后，組裝殼程筒體與管箱筒體，并對殼程側通入0.6 MPa的壓縮空氣，對換熱管-管板的連接接頭進行氣壓泄漏試驗。

氣壓泄漏試驗合格后，采用表1所述手工鎢極氬弧焊工藝對換熱管與管板連接接頭進行第3道焊接，焊后再次按上述過程對此連接接頭進行100%滲透檢測以及氣壓泄漏試驗。

在滲透檢測以及氣壓泄漏試驗合格后，對所有換熱管與管板連接接頭進行脹接，并且需要逐根記錄脹管參數。

3.6殼程水壓及氨滲漏試驗

脹管結束并且檢查合格后方可組裝殼程試壓組件，隨后對殼程進行水壓試驗，試驗壓力為3.54 MPa，保壓至少30 min。水壓試驗過程中要求水溫不得低于15 ℃，水中氯離子質量濃度不得大于15 mg/L。

水壓試驗完畢后，對殼程按照HG/T 20584—《鋼制化工容器制造技術要求》附錄A中的規定進行B法氨滲漏檢查[18]。

3.7管箱組焊及管程水壓試驗

按原圖樣及工藝要求組焊管程隔板，焊后需對隔板焊接接頭表面按照NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》進行100%磁粉檢測，I級合格[19]。

磁粉檢測合格后組裝管箱試壓組件，并對管程進行水壓試驗。試驗壓力23.13 MPa，保壓至少30 min。水壓試驗過程中,控制水溫不得低于15 ℃，水中氯離子質量濃度不得大于15 mg/L。

水壓試驗過程中，設備無泄漏、無可見變形及無異常響聲方為合格。

3.8總裝發貨

待水壓試驗后應當對設備全面吹掃及清理，封閉接管法蘭各端口，按原圖樣要求重新進行噴丸、油漆、充氮(充氮壓力0.05 MPa)，檢查合格之后包裝發貨。

4 結語

采用合理的返修方案對蒸汽發生器換熱管與管板連接接頭進行返修，返修工期及返修成本大幅度降低，且蒸汽發生器已安全運行至今，得到了業主的一致肯定。由此不僅驗證了返修方案的可實施性，而且也為此類熱交換器檢修積累了寶貴的經驗。

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(許編)

更正說明

因作者疏忽，《石油化工設備》2017 年第46卷第2期上發表的《大直徑超薄壁容器立式裝焊工藝》一文中(文章編號1000-7466(2017)02-0039-05)，作者欄“馬玉梅”的署名有誤，現更正為“馬玉玫”，特此說明。

《石油化工設備》雜志社

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

石承龍(1988-)，男，甘肅蘭州人，助理工程師，學士，主要從事壓力容器焊接技術及其設備自動化研究工作。