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        列管式熱交換器換熱管-管板焊縫無損檢測方法

        2019-10-11 07:07:30,,
        石油化工設(shè)備 2019年5期
        關(guān)鍵詞:熱交換器磁粉管板

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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)行檢查和測試。

        射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測和滲透檢測是開發(fā)較早、應(yīng)用最廣的4大常規(guī)無損檢測方法。射線檢測和超聲波檢測主要用于試件的內(nèi)部缺陷檢測,磁粉檢測和滲透檢測主要用于探測試件表面缺陷。管頭管板焊縫形式較多而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其焊縫缺陷的檢測需要運(yùn)用多種常規(guī)和非常規(guī)無損檢測方法。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常用方法及其選用

        2.1 滲透檢測法

        滲透檢測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方法,能檢測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所有焊縫。滲透檢測用時(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,對(duì)開口氣孔、表面裂紋的檢測效果尤其明顯。

        滲透檢測也有局限性,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。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)影響檢測效果,有過滲透檢測后產(chǎn)品壓力試驗(yàn)時(shí)發(fā)生泄漏的情況。檢測結(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。

        2.2 磁粉檢測法

        磁粉檢測可檢測被檢對(duì)象的表面及表面下缺陷,不管缺陷是否開口,均可檢測出。對(duì)于深度不是很深的焊縫缺陷,磁粉檢測應(yīng)該是表面檢測的不錯(cuò)選擇。磁粉檢測方法能有效檢測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,均可檢測出。需要注意的是,磁粉檢測對(duì)檢測對(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圖片

        2.3 棒陽極射線檢測法[8-14]

        棒陽極射線檢測技術(shù)原理見圖7。

        圖7 棒陽極射線檢測原理圖

        該技術(shù)是一種管子-管板角焊縫射線檢測技術(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,棒陽極射線檢測技術(shù)實(shí)為管子-管板角焊縫X射線檢測技術(shù),其現(xiàn)場檢測實(shí)物圖見圖8。

        圖8 換熱管-管板焊縫棒陽極射線檢測現(xiàn)場實(shí)物

        棒陽極射線檢測技術(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、檢測速度快且現(xiàn)場適應(yīng)性好。從檢測功能劃分,棒陽極射線檢測是一種內(nèi)部缺陷檢測方法。棒陽極射線檢測技術(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 射線檢測 》附錄A 中規(guī)定,管子-管板角焊縫射線照相技術(shù)的檢測范圍為,被檢測的管子內(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換熱管-管板焊縫有3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),①選擇合適的檢測設(shè)備。不同設(shè)備的焦距不同、其能量電壓不同,探測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 超聲波檢測法[15]

        2.4.1技術(shù)特點(diǎn)

        超聲波檢測方法是檢測換熱管-管板焊縫內(nèi)部缺陷的另一種方法。相比射線檢測方法,該方法特點(diǎn)突出,優(yōu)勢明顯。在技術(shù)上,它適用的檢測范圍更廣,對(duì)缺陷的定位更準(zhǔn)確,檢測結(jié)果的靈敏度更高,檢測速度更快。在經(jīng)濟(jì)性上,它的檢測成本更低。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。橫波檢測時(shí),要調(diào)整晶片角度使聲束交叉于檢測區(qū),還要使聲束傾斜入射,在被檢測工件中產(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靈敏度,同時(shí)還要保證檢測設(shè)備使用的穩(wěn)定性,檢測結(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。

        (3)檢測過程控制 對(duì)于管頭焊縫檢測,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。檢測焊縫時(shí),需要穿透換熱管壁厚進(jìn)行檢測,檢測操作容易造成焊接結(jié)構(gòu)的徑向及橫向損傷。

        (4)檢測中的協(xié)同配合 檢測過程中,綜合考慮各因素的影響,協(xié)同配合各參數(shù)。檢測時(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)檢測結(jié)果的影響。

        (5)人員培訓(xùn) 實(shí)施檢測前,需要對(duì)人員進(jìn)行管頭超聲波檢測各項(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,了解小管頭檢測探頭與常規(guī)探頭檢測的不同。在檢測過程中,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。檢測后,還要認(rèn)真分析,做好記錄。

        2.4.3檢測實(shí)踐

        采用超聲技術(shù)檢測換熱管與管板焊縫時(shí),需選定管頭焊縫超聲波檢測用的設(shè)備,根據(jù)不同焊縫形式選定適合管頭焊縫超聲波檢測的檢測工藝,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工作現(xiàn)場見圖9。

        圖9 換熱管-管板焊縫超聲波檢測工作現(xiàn)場

        使用超聲波方法檢測焊縫內(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、管壁薄且檢測的難度較大,故該方法針對(duì)密封焊的檢測效果不佳。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的孔檢測靈敏度,但檢測時(shí)需要制作特殊探頭和專用曲面校準(zhǔn)試塊。

        2.5 相控陣檢測法

        相控陣檢測技術(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。對(duì)于鐵磁性材料,優(yōu)先選用磁粉檢測。但是若結(jié)構(gòu)或設(shè)備受限,也可采用滲透檢測,要求較高時(shí)可每焊接一層進(jìn)行一次滲透檢測,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。根據(jù)產(chǎn)品、現(xiàn)場及設(shè)備結(jié)構(gòu)等情況合理選用棒陽極射線檢測、超聲波檢測、相控陣檢測或幾種方法共同使用。棒陽極射線檢測結(jié)果直觀,靈敏度較高,但是設(shè)備投入較大,檢測費(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,不同管頭伸出長度對(duì)檢測結(jié)果影響較大。超聲波檢測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)檢測人員要求較高,但檢測速度快,檢測靈敏度也較高,檢測費(fèi)用低,不受場地和空間限制。相控陣技術(shù)還沒有相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn),但檢測結(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、超聲波檢測和相控陣檢測,還是表面的滲透和磁粉檢測,都有其一定的局限性,萬不可相信檢測后焊縫質(zhì)量就一定可靠。

        3 換熱管與管板焊縫其他檢測方法[18-19]

        3.1 氣泡檢測法

        氣泡檢測就是氣密試驗(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焊縫致密性。氦檢漏檢測現(xiàn)場見圖10。

        圖10 氦檢漏檢測現(xiàn)場

        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一般使用嗅吸探頭技術(shù)。檢測時(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。當(dāng)有微小泄漏時(shí),檢測儀器就會(huì)及時(shí)報(bào)警,一般檢測泄漏率可以達(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。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,根據(jù)產(chǎn)品、現(xiàn)場、設(shè)備情況等合理選用棒陽極射線檢測、超聲波檢測和相控陣檢測。根據(jù)協(xié)議或用戶要求可進(jìn)行泄漏或氦檢漏檢測,保證致密性。

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