列管式換熱器管板與換熱器連接的問題

在化工生產中，由于高溫高壓下換熱器的工作特點，將換熱器管板與換熱器連接之間的泄漏作為最容易泄漏和故障的地方，也不容易解決。因此，在化工生產實踐中，由于換熱裝置的使用壽命短，設備其他部分損壞，但無法使用，因此返回車間進行維修和報廢，這給公司造成了巨大的損失。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管板及換熱管的選用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: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Ф660mm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Ф1100mm,厚度260mm,且為復合管板,復層厚度6mm,基層和復層(堆焊層)材料為SA-336F22及CL-3。換熱管共180根,其規格是Ф32X2.5mm,換熱管材料為SA-213.T22。(見圖2)。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支撐圈的基礎和管口的焊接補焊針對上述問題,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,最上端有一20mm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爭取現場解決的制度為了縮短檢修時間,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,高等院校科研人員認真研究。經過認真分析,精密計算,確定了坡口角焊修補新方案。3.1管板及管口的管口檢查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管箱與管板的連接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、20mm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換熱管與管板的組合焊縫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更換熱軸向的等效計算公式查GB151.附錄J,換熱管金屬截面積:按三種工況分別計算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3.3.2計算管道連接性能和管道板的拉脫力σt取以上計算最大值l1—換熱管最小伸長度l3—最小坡口深度4水壓試驗結果及分析焊接前,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3mm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。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Ф2mm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9L/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。恢復安裝支撐圈、小管板、高溫引導管及進氣管等,還原設備,投入使用。4管頭角焊維修階段,初始市目前,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。殼程工作壓力:4.23MPa,工作溫度:220℃。管理工作壓力:14.02MPa,工作溫度:400/400℃。殼程設計壓力:4.9MPa,設計溫度:280℃。管理