制氫裝置第一轉(zhuǎn)化廢鍋管板裂紋修復(fù)技術(shù)

李麗紅 吳文海

陜西化建工程有限責(zé)任公司 陜西咸陽(yáng) 712100

公司在配合一套2*20000N m3/ h 制氫裝置開(kāi)車(chē)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)第一轉(zhuǎn)化廢鍋蒸汽的溫度、壓力長(zhǎng)時(shí)間不能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。經(jīng)停車(chē)置換，打開(kāi)人孔后發(fā)現(xiàn)，廢鍋高溫端管箱內(nèi)有積水，說(shuō)明廢鍋管程、殼程介質(zhì)相串，管板發(fā)生了泄漏。為了保證裝置在短時(shí)間內(nèi)正常開(kāi)車(chē)，現(xiàn)場(chǎng)討論決定采用補(bǔ)焊的方法進(jìn)行管板修復(fù)，從而保證制氫裝置在低負(fù)荷工況下（原設(shè)計(jì)符合的50%）運(yùn)行2～3個(gè)月，待新設(shè)備制造完成后再進(jìn)行更換。實(shí)踐證明，管板補(bǔ)焊對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)換熱器修復(fù)應(yīng)急起到了關(guān)鍵性的作用，在安全風(fēng)險(xiǎn)滿足的前提下可以借鑒。

1 第一轉(zhuǎn)換廢鍋簡(jiǎn)介

第一轉(zhuǎn)化廢鍋是采用臥式薄管板形式設(shè)計(jì)的固定管板式換熱器，屬于二類(lèi)壓力容器。設(shè)備管程介質(zhì)為轉(zhuǎn)化氣，殼程介質(zhì)為鍋爐給水。其中左側(cè)為高溫端，內(nèi)襯耐火襯里，右側(cè)為低溫端。出現(xiàn)泄漏的左側(cè)管板材質(zhì)為15CrMoR，厚度為26mm。換熱管材質(zhì)為15CrMo，規(guī)格為Ф45*5 ，長(zhǎng)度約3500mm，共計(jì)336 根。外形結(jié)構(gòu)及技術(shù)性能如圖1 和表1 所示。

2 管板缺陷分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)第一轉(zhuǎn)化廢鍋各部位檢查，發(fā)現(xiàn)在高溫端管板及管板與換熱管連接處出現(xiàn)大量貫穿性裂紋，裂紋呈無(wú)規(guī)則發(fā)散狀分布，低溫端管板及管板與換熱管連接處未發(fā)現(xiàn)裂紋產(chǎn)生。根據(jù)以上現(xiàn)象，經(jīng)專(zhuān)家分析認(rèn)為裂紋產(chǎn)生的主要原因是高溫端管板受熱超過(guò)設(shè)計(jì)溫度，管板在高溫下應(yīng)力開(kāi)裂。缺陷表面位置見(jiàn)圖2、圖3。

圖1 第一轉(zhuǎn)化廢鍋外形結(jié)構(gòu)尺寸

表1 第一轉(zhuǎn)化廢鍋技術(shù)性能表

分析管板制造圖，設(shè)計(jì)者為了防止高溫轉(zhuǎn)換氣經(jīng)過(guò)管程時(shí)將溫度傳遞與管板，采用了耐熱合金導(dǎo)管（見(jiàn)圖4），同時(shí)在換熱管與管板結(jié)合處、換熱管與導(dǎo)管之間均采取了隔熱措施。由于設(shè)備制造過(guò)程中隔熱不到位，致使管板受高溫產(chǎn)生裂紋。裂紋產(chǎn)生的部位見(jiàn)圖5。

圖2 缺陷管板著色后

圖3 裂紋深度

圖4 導(dǎo)管實(shí)物

圖5 裂紋產(chǎn)生的部位

3 修復(fù)方案的確定

經(jīng)過(guò)各位專(zhuān)家對(duì)缺陷分析以及安全評(píng)估后認(rèn)為，為了保證該設(shè)備在最短的檢修時(shí)間內(nèi)投入使用，對(duì)裂紋進(jìn)行補(bǔ)焊處理是最佳的捷徑。

3.1 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，本設(shè)備由于管板發(fā)生泄漏存在的安全風(fēng)險(xiǎn)主要是殼程介質(zhì)的水、水蒸氣串入管程轉(zhuǎn)換氣中，但是轉(zhuǎn)換氣介質(zhì)中自身就含有水蒸汽，不會(huì)對(duì)工藝介質(zhì)造成威脅。另外，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管板局部打磨觀察，其金屬質(zhì)地良好。所以在操作控制正確的前提下，采取補(bǔ)焊裂紋的方案是可行的。

3.2 補(bǔ)焊

經(jīng)換熱器殼程通蒸汽嚴(yán)密性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，管板多處出現(xiàn)貫穿性裂紋。著色后，裂紋部位更加明顯。結(jié)合裂紋產(chǎn)生原因，確定如下補(bǔ)焊工藝：

（1）在打磨前采用電加熱+ 保溫棉的形式對(duì)管板進(jìn)行消氫處理，加熱溫度250℃，恒溫時(shí)間2h。

（2）用磨光機(jī)對(duì)裂紋處進(jìn)行打磨，貫穿性裂紋打磨深度確定為9～12mm，盡量使根部橢圓，避免尖角。12 mm 以?xún)?nèi)的裂紋，打磨后需進(jìn)行著色檢測(cè)，盡量消除裂紋源。

（3）對(duì)于換熱管裂紋深度超過(guò)管板厚度的，可以采取堵管的工藝。

（4）補(bǔ)焊嚴(yán)格按照設(shè)備制造時(shí)的焊接工藝進(jìn)行。打底焊后需進(jìn)行根部著色檢測(cè)，確認(rèn)無(wú)裂紋后再進(jìn)行填充蓋面焊接。

（5）補(bǔ)焊完成后及時(shí)進(jìn)行后熱處理，工藝控制一定要嚴(yán)謹(jǐn)。

（6）補(bǔ)焊按照米字形，從外往內(nèi)進(jìn)行。

（7）一次補(bǔ)焊完成，可以采用蒸汽進(jìn)行殼程嚴(yán)密性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泄露部位，繼續(xù)補(bǔ)焊，直至水壓試驗(yàn)合格，方可進(jìn)入導(dǎo)管的安裝以及襯里工序。

3.3 其他重點(diǎn)控制點(diǎn)

根據(jù)裂紋分析確定本次修復(fù)內(nèi)容除補(bǔ)焊外還應(yīng)重點(diǎn)控制以下兩個(gè)方面：

（1）隔熱襯里材料的檢驗(yàn)及修復(fù)，特別是導(dǎo)熱管高溫隔熱紙及陶纖隔熱墊施工。

（2）生產(chǎn)操作平穩(wěn)、低負(fù)荷控制與殼程泄漏有效檢測(cè)。

4 裂紋補(bǔ)焊工藝

4.1 部件拆除

首先將熱端管板保護(hù)擋板編號(hào)、拆除、妥善保管，然后采用小型振搗工具拆除并清理隔熱層材料，清理過(guò)程應(yīng)盡量不破壞其他部位襯里結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)已存在裂紋的襯里結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)識(shí)待恢復(fù)襯里時(shí)一并修復(fù)，再將換熱管內(nèi)的導(dǎo)管拔出（共計(jì)336個(gè)）一一標(biāo)識(shí)，清理表面污垢，妥善存放。

4.2 管板消氫處理

裝置在開(kāi)車(chē)過(guò)程中，含氫氣的高溫轉(zhuǎn)換氣長(zhǎng)時(shí)間接觸管板。為了更好的止裂，在打磨前采用電加熱+ 保溫棉的形式對(duì)管板進(jìn)行消氫處理。

（1）在管箱側(cè)管板表面平鋪固定電加熱帶，接頭引出至設(shè)備外。熱電偶呈90°布置在管板1/ 2 半徑的中心圓上。

（2）在管板在電加熱帶表面平鋪三層保溫棉，厚度達(dá)到80mm，用鐵絲固定。

（3）檢查確認(rèn)安全后，通電加熱，加熱速度控制在50℃/ h，溫度達(dá)到250℃，恒溫2h 后降溫，降溫速度控制在50℃/ h。

圖6 打磨后的管板

（4）消氫處理后拆除保溫棉及加熱帶。

4.3 裂紋檢測(cè)與打磨

清理高溫管箱側(cè)管板表面污垢，油漬，對(duì)管板進(jìn)行全面積PT 檢測(cè)。裂紋部位采用角向磨光機(jī)及直磨機(jī)打磨判斷裂紋深淺。對(duì)于淺表裂紋清理后若打磨深度不大于2mm 的可以不進(jìn)行補(bǔ)焊，對(duì)于貫穿性裂紋打磨深度控制在9～12mm 范圍內(nèi)。打磨后再次對(duì)管板表面進(jìn)行PT 檢測(cè)，判斷是否還有裂紋產(chǎn)生，以上過(guò)程直至全部管板表面裂紋全部打磨消除為止。管板打磨后如圖6 所示。

4.4 裂紋修復(fù)焊接工藝

由于管板與換熱管分布較密，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法對(duì)管板貫穿性裂紋進(jìn)行完全消除。裂紋補(bǔ)焊采用氬弧焊工藝，焊絲選用H13Cr-MoA(TIGR30) Φ2.4，氬氣純度99.5%。

4.4.1 焊前準(zhǔn)備

管板補(bǔ)焊工作必須嚴(yán)格按照原設(shè)備制造的焊接工藝評(píng)定編制焊接工藝卡。實(shí)施焊接操作的焊工必須按?鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則?進(jìn)行考試合格，具備相應(yīng)焊接資質(zhì)且資質(zhì)在有效期內(nèi)的焊工方可施焊。

焊前預(yù)熱溫度應(yīng)控制在120±10℃，預(yù)熱范圍為最小壁厚的3 倍且不小于100mm。預(yù)熱采用火焰加熱的方式，加熱過(guò)程應(yīng)均勻平穩(wěn)，防止局部過(guò)熱。溫度檢測(cè)采用紅外線測(cè)溫儀。對(duì)于因焊接過(guò)程中斷，在重新施焊前必須重新預(yù)熱。

4.4.2 正式施焊

焊前用丙酮清洗焊接部位，去除油污，焊接區(qū)域達(dá)到預(yù)熱溫度是應(yīng)及時(shí)進(jìn)行焊接。在保持預(yù)熱溫度條件下，每條缺陷應(yīng)一次焊接完成。修補(bǔ)時(shí)應(yīng)對(duì)稱(chēng)施焊以降低局部焊接應(yīng)力。

正式焊接前在封頭邊緣選擇三處穿透性裂紋進(jìn)行試焊，預(yù)熱后焊接一層，單層厚度不大于4mm，操作時(shí)保證成型與坡口邊緣圓滑過(guò)渡，并隨時(shí)觀察熔池邊緣有無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象。焊完后立即加熱至250℃（加熱范圍不少于200mm2），覆蓋保溫棉進(jìn)行后熱消氫處理。保溫2h，在保溫過(guò)程中每隔0.5h 對(duì)原加熱范圍再進(jìn)行一次加熱，2h 后冷卻到室溫進(jìn)行PT 檢測(cè)。確認(rèn)無(wú)缺陷后可按下述方案進(jìn)行正式焊接。焊接工藝參數(shù)按照設(shè)備制造廠提供的報(bào)告選用：焊接電流為：140～150A,焊接電壓為：12～14V，焊接速度：7mm/ min。操作過(guò)程中注意：

（1）起弧收弧處防止縮孔產(chǎn)生，收弧應(yīng)保證弧坑填滿，避免弧坑裂紋；

（2）每層焊完后應(yīng)用清渣錘敲擊焊縫及焊縫邊緣5mm 范圍。

（3）焊縫焊完后應(yīng)將焊縫磨平至原母材平面。

4.4.3 換熱管堵焊

經(jīng)兩次補(bǔ)焊氣密性試驗(yàn)仍然不合格的換熱管口，采取堵焊的工藝解決，共堵管98 根。

4.4.4 裂紋補(bǔ)焊后檢測(cè)

焊縫修補(bǔ)完成后應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，焊縫與母材應(yīng)圓滑過(guò)渡，經(jīng)外觀檢測(cè)合格后應(yīng)對(duì)全部焊接部位進(jìn)行100%PT 檢測(cè)，符合JB/ T4730- 2005 中Ⅰ級(jí)合格。

4.4.5 焊后熱處理

所有裂紋處理結(jié)束檢測(cè)合格后，采用遠(yuǎn)紅外電加熱帶+ 保溫棉的形式加熱對(duì)管板進(jìn)行熱處理。

熱處理工藝采用：升溫速度：50℃/ h，恒溫溫度670+20℃，恒溫時(shí)間4h，降溫速度：50℃/ h，降到300℃自然冷卻。熱處理措施包括：

（1）保證加熱帶與管板緊密貼合；

（2）熱電偶擺放，按十字形均布擺放4個(gè)熱電偶，點(diǎn)與點(diǎn)間隔直徑500mm。

（3）保溫棉三層厚度75mm。

4.4.6 硬度檢查

熱處理完記錄硬度值，但不能超過(guò)300HB。

4.4.7 無(wú)損檢測(cè)

所有焊縫焊完24h 后進(jìn)行PT 檢測(cè)，熱處理完后再做一次PT 檢測(cè)。

5 設(shè)備試壓

待管板端部及管板與換熱管全部裂紋修補(bǔ)完成后，對(duì)殼程通入0.5 Mpa 壓縮空氣，進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。若發(fā)現(xiàn)管板上仍有汽泡產(chǎn)生，再進(jìn)行打磨、補(bǔ)焊，這一過(guò)程將一直持續(xù)到管板上全部裂紋得到發(fā)現(xiàn)并處理后結(jié)束。氣密試驗(yàn)合格后對(duì)該設(shè)備殼程以工作壓力進(jìn)行3.9Mpa 水壓試驗(yàn)，管板無(wú)泄漏、無(wú)目測(cè)變形、無(wú)異常聲響視為合格。

6 設(shè)備補(bǔ)焊后運(yùn)行情況

設(shè)備補(bǔ)焊合格后，重新進(jìn)行部件組裝、襯里。目前設(shè)備在50%工作負(fù)荷下降級(jí)投入使用已經(jīng)兩個(gè)月，轉(zhuǎn)換氣進(jìn)口溫度690℃，出口溫度300℃，基本上滿足使用要求。