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(1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070； 2.上海石油化工換熱設(shè)備工程技術(shù)研究中心， 上海 201518； 3.北方華錦化學(xué)工業(yè)股份有限公司 檢驗(yàn)中心， 遼寧 盤錦 124000)

列管式熱交換器是目前石油化工生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種熱交換器，它主要由殼體、管板、換熱管、封頭及折流板等組成。按結(jié)構(gòu)特征分為固定管板式、浮頭式、U型管式等形式。無論何種形式，在使用中均存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。熱交換器滲漏是熱交換器使用中最為常見的設(shè)備故障之一，而管板與換熱管連接處的換熱管與管板焊縫尤其容易發(fā)生泄漏，導(dǎo)致熱交換器失效。

滲漏主要是腐蝕和制造缺陷造成的，而某些類型的腐蝕也是由于制造過程的缺陷間接引起的，因此在產(chǎn)品制造時(shí)保證換熱管與管板焊縫質(zhì)量達(dá)標(biāo)至關(guān)重要。無損檢測(cè)是保證焊縫質(zhì)量的重要手段，在不損壞試件的前提下，以物理或化學(xué)的方法為手段，借助先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，對(duì)試件內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和狀態(tài)進(jìn)行檢查和測(cè)試。

射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)是開發(fā)較早、應(yīng)用最廣的4大常規(guī)無損檢測(cè)方法。射線檢測(cè)和超聲波檢測(cè)主要用于試件的內(nèi)部缺陷檢測(cè)，磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)主要用于探測(cè)試件表面缺陷。管頭管板焊縫形式較多而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其焊縫缺陷的檢測(cè)需要運(yùn)用多種常規(guī)和非常規(guī)無損檢測(cè)方法。文中基于熱交換器生產(chǎn)制造實(shí)踐，針對(duì)幾種常見換熱管與管板焊縫形式，分析不同焊縫缺陷適用的無損檢測(cè)方法[1-4]。

1 常見換熱管與管板連接焊縫形式及易產(chǎn)生缺陷

1.1 換熱管與管板連接焊縫形式[5]

換熱管與管板連接的形式有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接、密封焊、脹焊并用及內(nèi)孔焊等，其中密封焊和強(qiáng)度焊在生產(chǎn)制造中應(yīng)用較多。密封焊形式見圖1，強(qiáng)度焊形式見圖2～圖5。

圖1 換熱管與管板密封焊形式

圖2 換熱管與管板強(qiáng)度焊形式1

圖3 換熱管與管板強(qiáng)度焊形式2

圖4 換熱管與管板強(qiáng)度焊形式3

圖5 換熱管與管板強(qiáng)度焊形式4

圖1～圖5中，d為換熱管外徑，δt為換熱管壁厚，l為強(qiáng)度焊焊腳高度，mm。

1.2 換熱管與管板連接焊縫常見缺陷[6-7]

1.2.1熱裂紋

由于管板一般較厚，而換熱管與管板焊縫熔池冷卻速度較快，故焊縫結(jié)晶時(shí)易造成晶內(nèi)和晶間偏析。偏析物多為低熔點(diǎn)的共晶物及雜質(zhì)，其熔點(diǎn)低，再結(jié)晶過程中以液態(tài)存在的物質(zhì)受到拉應(yīng)力作用可能開裂產(chǎn)生熱裂紋。裂紋缺陷多在此焊縫中，常垂直于焊縫存在。

1.2.2氣孔

焊接熔池在高溫時(shí)吸收了過多的氣體，冷卻時(shí)來不急逸出而留在焊縫金屬內(nèi)形成氣孔。再有，焊縫坡口、管頭等位置清理不當(dāng)存在油污、水分等也可引起氣孔。焊接操作氣體保護(hù)不到位、保護(hù)氣體不純及操作不當(dāng)?shù)榷伎僧a(chǎn)生氣孔缺陷。換熱管與管板焊縫中有單個(gè)氣孔、條形氣孔、蟲形氣孔、鏈狀氣孔及密集氣孔等形態(tài)。所有氣孔中，貫穿性或近貫穿性氣孔危害最大。

1.2.3夾鎢夾渣

氬弧焊焊接操作時(shí)，保護(hù)鎢極燒損熔進(jìn)焊縫熔池，形成夾鎢缺陷。坡口有污物時(shí)也可能產(chǎn)生夾渣缺陷。夾渣和夾鎢多單個(gè)存在，也有多個(gè)或密集存在。

1.2.4未焊透

坡口加工不合理、焊接電流過小、電壓過高或焊接參數(shù)不當(dāng)?shù)瓤稍斐珊缚p根部未焊透，此缺陷可能是縫隙腐蝕裂紋的源頭。未焊透發(fā)生在焊縫根部，有可能在局部，也有半圈或整圈存在的。

1.2.5未熔合

焊接操作不當(dāng)，如焊接電流過小、焊接速度過快等可能造成根部、層間和坡口的未熔合，此缺陷是面積型缺陷，較少焊縫承載，造成應(yīng)力集中。

2 換熱管與管板焊縫無損檢測(cè)常用方法及其選用

2.1 滲透檢測(cè)法

滲透檢測(cè)是在制造中和在役應(yīng)用最多的一種換熱管和管板焊縫檢測(cè)方法，能檢測(cè)任何金屬材料的表面開口缺陷，包括換熱管和管板焊縫外表面存在的缺陷。對(duì)于換熱管和焊縫數(shù)量多的熱交換器，焊縫之間距離較近，采用溶劑去除法即可方便檢測(cè)所有焊縫。滲透檢測(cè)用時(shí)短、結(jié)果直觀，可針對(duì)任何金屬材料進(jìn)行。對(duì)普通碳鋼、不銹鋼及鈦、鎳基等其他材料均可采用滲透檢測(cè)，對(duì)開口氣孔、表面裂紋的檢測(cè)效果尤其明顯。

滲透檢測(cè)也有局限性，不能用于表面下的任何缺陷以及內(nèi)部或根部缺陷的檢測(cè)。應(yīng)用到強(qiáng)度焊的幾種焊縫時(shí)，很多內(nèi)部缺陷都不能有效檢出，而這些缺陷對(duì)產(chǎn)品的使用性能有時(shí)是關(guān)鍵性的。此外，換熱管和管板焊縫表面有油污等雜質(zhì)時(shí)也會(huì)影響檢測(cè)效果，有過滲透檢測(cè)后產(chǎn)品壓力試驗(yàn)時(shí)發(fā)生泄漏的情況。檢測(cè)結(jié)束后的清理也需要注意，需要把滲透劑、顯像劑(圖6)等清理干凈才可進(jìn)行后續(xù)壓力試驗(yàn)。對(duì)于要求較高的焊縫可采用熒光法檢測(cè)。

2.2 磁粉檢測(cè)法

磁粉檢測(cè)可檢測(cè)被檢對(duì)象的表面及表面下缺陷，不管缺陷是否開口，均可檢測(cè)出。對(duì)于深度不是很深的焊縫缺陷，磁粉檢測(cè)應(yīng)該是表面檢測(cè)的不錯(cuò)選擇。磁粉檢測(cè)方法能有效檢測(cè)出換熱管和管板焊縫表面下各種隱藏缺陷，不管缺陷是否開口，均可檢測(cè)出。需要注意的是，磁粉檢測(cè)對(duì)檢測(cè)對(duì)象的材質(zhì)有限制，只能針對(duì)鐵磁性材料制成的換熱管和管板焊縫，如10鋼、鉻鉬鋼等，對(duì)奧氏體不銹鋼則不適用。

磁粉檢測(cè)方法有多種，進(jìn)一步的選擇應(yīng)基于材料性質(zhì)、換熱管數(shù)量及管間距等設(shè)備參數(shù)進(jìn)行。當(dāng)換熱管間距較大時(shí)，可選擇單磁軛法；當(dāng)間距較小時(shí)，可選觸頭法。不管哪種方法，由于換熱管的開孔破壞了管板的連續(xù)狀態(tài)，磁力線均變形嚴(yán)重，因此必須用試片驗(yàn)證。要保證磁極和被檢工件之間的有效可靠接觸，采用觸頭法還要注意工件過熱對(duì)材料性能的影響及打火燒傷問題。

圖6 換熱管與管板焊縫表面滲透檢測(cè)圖片

2.3 棒陽極射線檢測(cè)法[8-14]

棒陽極射線檢測(cè)技術(shù)原理見圖7。

圖7 棒陽極射線檢測(cè)原理圖

該技術(shù)是一種管子-管板角焊縫射線檢測(cè)技術(shù)。按照射線的種類和射線發(fā)生裝置，管板角焊縫射線檢測(cè)技術(shù)分為X射線和γ射線2種。

X射線技術(shù)采用的射線源為棒陽極X射線機(jī)，γ射線技術(shù)一般用小焦點(diǎn)Ir192放射源。X射線具有檢測(cè)靈敏度高、曝光時(shí)間短、對(duì)人員傷害小和防護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)制造中得到了廣泛應(yīng)用，而γ射線只是X射線技術(shù)受限時(shí)的補(bǔ)充方法。因此，棒陽極射線檢測(cè)技術(shù)實(shí)為管子-管板角焊縫X射線檢測(cè)技術(shù)，其現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)物圖見圖8。

圖8 換熱管-管板焊縫棒陽極射線檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物

棒陽極射線檢測(cè)技術(shù)采用特殊的微焦點(diǎn)X射線發(fā)生裝置，對(duì)換熱管進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮穸妊a(bǔ)償，采用向后透照的技術(shù)，能夠拍攝出清晰的角焊縫影像，靈敏度高、檢測(cè)速度快且現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性好。從檢測(cè)功能劃分，棒陽極射線檢測(cè)是一種內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法。棒陽極射線檢測(cè)技術(shù)的使用，有效降低了熱交換器的腐蝕隱患和泄漏幾率。

據(jù)德國(guó)巴斯夫公司統(tǒng)計(jì)，棒陽極射線技術(shù)的應(yīng)用使該企業(yè)的熱交換器意外泄漏率從17%～18%下降到2%～3%。NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 射線檢測(cè) 》附錄A 中規(guī)定，管子-管板角焊縫射線照相技術(shù)的檢測(cè)范圍為，被檢測(cè)的管子內(nèi)徑應(yīng)在12.5～80 mm，厚度在1.5～5 mm，用于制作焊接接頭的金屬材料包括鋼、鈦及鈦合金、鎳及鎳合金、鋯及鋯合金。但此規(guī)定只針對(duì)密封焊結(jié)構(gòu)，對(duì)強(qiáng)度焊結(jié)構(gòu)無具體要求，當(dāng)強(qiáng)度焊坡口較深或換熱管伸出管板較長(zhǎng)時(shí)，缺陷影像的放大作用明顯，具體實(shí)施時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況確定。

采用棒陽極射線檢測(cè)換熱管-管板焊縫有3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，①選擇合適的檢測(cè)設(shè)備。不同設(shè)備的焦距不同、其能量電壓不同，探測(cè)焊縫的尺寸就有差異，包括換熱管直徑、壁厚、焊縫形式等，應(yīng)根據(jù)被檢對(duì)象的特點(diǎn)選用最優(yōu)的檢測(cè)設(shè)備。②選擇合適的棒陽極適配器。要想拍攝出效果理想的射線底片，必須制作精良的棒陽極適配器，即適合配置的射線附屬儀器，其按照焊縫(強(qiáng)度焊、密封焊、焊腳)、換熱管(直徑、壁厚)、管板(壁厚)的不同需要均勻化補(bǔ)償射線的能量差，保證投影到射線底片上的影像基本均勻，焊縫清晰，靈敏度高。③準(zhǔn)備適宜的靈敏度試片。靈敏度試片的形式和缺陷對(duì)比尺寸，需要依據(jù)相關(guān)無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合用戶的具體要求進(jìn)行個(gè)性化制作。其他相關(guān)注意事項(xiàng)包括防止背散射、膠片準(zhǔn)備等。

2.4 超聲波檢測(cè)法[15]

2.4.1技術(shù)特點(diǎn)

超聲波檢測(cè)方法是檢測(cè)換熱管-管板焊縫內(nèi)部缺陷的另一種方法。相比射線檢測(cè)方法，該方法特點(diǎn)突出，優(yōu)勢(shì)明顯。在技術(shù)上，它適用的檢測(cè)范圍更廣，對(duì)缺陷的定位更準(zhǔn)確，檢測(cè)結(jié)果的靈敏度更高，檢測(cè)速度更快。在經(jīng)濟(jì)性上，它的檢測(cè)成本更低。在操作上，使用的設(shè)備輕便，對(duì)人和環(huán)境無害。

2.4.2技術(shù)應(yīng)用注意事項(xiàng)

(1)探頭的選型 進(jìn)行管頭超聲波檢測(cè)時(shí)，探頭放置在換熱管內(nèi)部，其接觸面應(yīng)能對(duì)換熱管的曲面有良好的適應(yīng)性，不能選用常規(guī)探頭。由于是穿透管子檢測(cè)焊縫，探頭種類選雙晶探頭為佳。針對(duì)橫向和縱向缺陷，分別選擇縱波探頭和橫波探頭用于檢測(cè)。橫波檢測(cè)時(shí)，要調(diào)整晶片角度使聲束交叉于檢測(cè)區(qū)，還要使聲束傾斜入射，在被檢測(cè)工件中產(chǎn)生橫波。由于管壁薄，管子外壁底面反射波和缺陷波容易混淆。

(2)檢測(cè)設(shè)備的定制 根據(jù)換熱管規(guī)格、厚度及應(yīng)用等具體信息確定適宜的檢測(cè)靈敏度，同時(shí)還要保證檢測(cè)設(shè)備使用的穩(wěn)定性，檢測(cè)結(jié)果要有良好的水平和垂直線性，分辨率也要高。超聲波檢測(cè)儀器與探頭的組合性能要在專制試塊中進(jìn)行調(diào)節(jié)，參數(shù)準(zhǔn)確無誤才能進(jìn)行檢測(cè)。

(3)檢測(cè)過程控制 對(duì)于管頭焊縫檢測(cè)，由于換熱管的內(nèi)部空間非常有限，容易產(chǎn)生探頭放置后接觸嚴(yán)重不良、耦合不好、聲能損失大、雜波多及探傷靈敏度低等情況。檢測(cè)焊縫時(shí)，需要穿透換熱管壁厚進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)操作容易造成焊接結(jié)構(gòu)的徑向及橫向損傷。

(4)檢測(cè)中的協(xié)同配合 檢測(cè)過程中，綜合考慮各因素的影響，協(xié)同配合各參數(shù)。檢測(cè)時(shí)要邊掃查邊觀察波形，掃查速度不能快，要找出缺陷確定最高回波準(zhǔn)確位置。綜合考慮管頭形式、管壁等結(jié)構(gòu)形成的回波對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

(5)人員培訓(xùn) 實(shí)施檢測(cè)前，需要對(duì)人員進(jìn)行管頭超聲波檢測(cè)各項(xiàng)參數(shù)的培訓(xùn)，使其充分了解設(shè)備儀器與探頭的組合性能，了解小管頭檢測(cè)探頭與常規(guī)探頭檢測(cè)的不同。在檢測(cè)過程中，務(wù)必嚴(yán)格按照各項(xiàng)要求進(jìn)行，隨時(shí)了解各參數(shù)的變化。檢測(cè)后，還要認(rèn)真分析，做好記錄。

2.4.3檢測(cè)實(shí)踐

采用超聲技術(shù)檢測(cè)換熱管與管板焊縫時(shí)，需選定管頭焊縫超聲波檢測(cè)用的設(shè)備，根據(jù)不同焊縫形式選定適合管頭焊縫超聲波檢測(cè)的檢測(cè)工藝，包括不同尺寸、不同頻率、不同聚焦深度的探頭，特殊的靈敏度試塊，增益大小，掃查方向和速度等。采用雙晶曲面縱波、雙晶曲面橫波小尺寸超聲波專利探頭可分別檢測(cè)出管子-管板角焊縫內(nèi)部的周向和徑向缺陷[16-17]。換熱管-管板焊縫超聲波檢測(cè)工作現(xiàn)場(chǎng)見圖9。

圖9 換熱管-管板焊縫超聲波檢測(cè)工作現(xiàn)場(chǎng)

使用超聲波方法檢測(cè)焊縫內(nèi)部缺陷的實(shí)踐表明，對(duì)于直徑25 mm以下的換熱管-管板焊縫，由于換熱管內(nèi)徑小、管壁薄且檢測(cè)的難度較大，故該方法針對(duì)密封焊的檢測(cè)效果不佳。對(duì)直徑大于25 mm的換熱管焊縫，超聲波方法可達(dá)到1 mm×2 mm的孔檢測(cè)靈敏度，但檢測(cè)時(shí)需要制作特殊探頭和專用曲面校準(zhǔn)試塊。

2.5 相控陣檢測(cè)法

相控陣檢測(cè)技術(shù)采用相對(duì)超聲波探頭晶片更小尺寸的相控陣探頭，將其放置在換熱管內(nèi)部，對(duì)換熱管和管板焊縫進(jìn)行掃查。設(shè)置好掃查角度及焦距，針對(duì)焊縫中的不連續(xù)可通過反映焊縫結(jié)構(gòu)形式有效檢出焊縫缺陷，同時(shí)可用編碼器周向定位。但是同樣受限于換熱管尺寸及多晶片探頭尺寸，檢測(cè)有一定的局限，如換熱管尺寸較小、探頭需要制造成更小尺寸及存在放置空間有限等。

2.6 檢測(cè)方法選擇要點(diǎn)

在熱交換器介質(zhì)不太苛刻，不嚴(yán)禁發(fā)生泄漏或有強(qiáng)度脹部分保障，或有基本的密封焊結(jié)構(gòu)時(shí)可只進(jìn)行滲透或磁粉檢測(cè)。對(duì)于鐵磁性材料，優(yōu)先選用磁粉檢測(cè)。但是若結(jié)構(gòu)或設(shè)備受限，也可采用滲透檢測(cè)，要求較高時(shí)可每焊接一層進(jìn)行一次滲透檢測(cè)，同時(shí)注意滲透劑要清理干凈，否則會(huì)對(duì)后續(xù)的焊接及其他工作造成質(zhì)量影響。

當(dāng)介質(zhì)很苛刻，嚴(yán)禁發(fā)生泄漏或用戶明確要求的情況下，要進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)。根據(jù)產(chǎn)品、現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備結(jié)構(gòu)等情況合理選用棒陽極射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、相控陣檢測(cè)或幾種方法共同使用。棒陽極射線檢測(cè)結(jié)果直觀，靈敏度較高，但是設(shè)備投入較大，檢測(cè)費(fèi)用也高，底片評(píng)定需要一定經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)有輻射危害，不同管頭伸出長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大。超聲波檢測(cè)需要制作專用的雙晶曲面小尺寸探頭，同時(shí)需要專用的校準(zhǔn)試塊，對(duì)檢測(cè)人員要求較高，但檢測(cè)速度快，檢測(cè)靈敏度也較高，檢測(cè)費(fèi)用低，不受場(chǎng)地和空間限制。相控陣技術(shù)還沒有相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，但檢測(cè)結(jié)果也較直觀，對(duì)設(shè)備、探頭及人員的要求較高。

不論是內(nèi)部的棒陽極射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和相控陣檢測(cè)，還是表面的滲透和磁粉檢測(cè)，都有其一定的局限性，萬不可相信檢測(cè)后焊縫質(zhì)量就一定可靠。

3 換熱管與管板焊縫其他檢測(cè)方法[18-19]

3.1 氣泡檢測(cè)法

氣泡檢測(cè)就是氣密試驗(yàn)，可以在熱交換器換熱管-管板焊縫表面噴刷起泡液或直接把設(shè)備浸泡進(jìn)液體內(nèi)，起泡液不可用家用洗滌劑，要保證形成氣泡時(shí)不會(huì)迅速破裂。設(shè)備的檢測(cè)一般采用干燥的空氣，壓力至少保持15 min，若焊縫表面有連續(xù)氣泡出現(xiàn)，可判斷有穿孔缺陷存在。

3.2 氦檢漏檢測(cè)法

氦檢漏法利用氦檢漏儀對(duì)氦原子的高度敏感特性檢測(cè)焊縫致密性。氦檢漏檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)見圖10。

圖10 氦檢漏檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

按照充氦部位, 氦檢漏技術(shù)劃分為嗅吸探頭技術(shù)、示蹤探頭技術(shù)和護(hù)罩技術(shù)3種。常規(guī)換熱管-管板焊縫的缺陷檢測(cè)一般使用嗅吸探頭技術(shù)。檢測(cè)時(shí)，先對(duì)氦檢漏儀預(yù)熱和校準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備殼程充入體積分?jǐn)?shù)不低于10%的氦氣，保壓時(shí)間不小于30 min，從下往上按順序逐個(gè)焊縫檢測(cè)。當(dāng)有微小泄漏時(shí)，檢測(cè)儀器就會(huì)及時(shí)報(bào)警，一般檢測(cè)泄漏率可以達(dá)到10-5Pa·m3/s。

4 結(jié)語

當(dāng)熱交換器介質(zhì)不太苛刻，不嚴(yán)禁發(fā)生泄漏或有強(qiáng)度脹部分保障的情況下，可只進(jìn)行滲透或磁粉表面檢測(cè)。當(dāng)介質(zhì)很苛刻，嚴(yán)禁發(fā)生泄漏或用戶明確要求的情況下，要進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)，根據(jù)產(chǎn)品、現(xiàn)場(chǎng)、設(shè)備情況等合理選用棒陽極射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和相控陣檢測(cè)。根據(jù)協(xié)議或用戶要求可進(jìn)行泄漏或氦檢漏檢測(cè)，保證致密性。