列管式熱交換器換熱管-管板焊縫無損檢測方法

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(1.甘肅藍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.北方華錦化學工業(yè)股份有限公司 檢驗中心， 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險。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)品制造時保證換熱管與管板焊縫質(zhì)量達標至關(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，以物理或化學的方法為手段，借助先進的技術(shù)和設(shè)備，對試件內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和狀態(tài)進行檢查和測試。

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)復雜，其焊縫缺陷的檢測需要運用多種常規(guī)和非常規(guī)無損檢測方法。文中基于熱交換器生產(chǎn)制造實踐，針對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度脹接、強度焊接、密封焊、脹焊并用及內(nèi)孔焊等，其中密封焊和強度焊在生產(chǎn)制造中應(yīng)用較多。密封焊形式見圖1，強度焊形式見圖2～圖5。

圖1 換熱管與管板密封焊形式

圖2 換熱管與管板強度焊形式1

圖3 換熱管與管板強度焊形式2

圖4 換熱管與管板強度焊形式3

圖5 換熱管與管板強度焊形式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)晶時易造成晶內(nèi)和晶間偏析。偏析物多為低熔點的共晶物及雜質(zhì)，其熔點低，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

焊接熔池在高溫時吸收了過多的氣體，冷卻時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存在油污、水分等也可引起氣孔。焊接操作氣體保護不到位、保護氣體不純及操作不當?shù)榷伎僧a(chǎn)生氣孔缺陷。換熱管與管板焊縫中有單個氣孔、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，保護鎢極燒損熔進焊縫熔池，形成夾鎢缺陷。坡口有污物時也可能產(chǎn)生夾渣缺陷。夾渣和夾鎢多單個存在，也有多個或密集存在。

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?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，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。滲透檢測用時短、結(jié)果直觀，可針對任何金屬材料進行。對普通碳鋼、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)用到強度焊的幾種焊縫時，很多內(nèi)部缺陷都不能有效檢出，而這些缺陷對產(chǎn)品的使用性能有時是關(guān)鍵性的。此外，換熱管和管板焊縫表面有油污等雜質(zhì)時也會影響檢測效果，有過滲透檢測后產(chǎn)品壓力試驗時發(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)等清理干凈才可進行后續(xù)壓力試驗。對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象的表面及表面下缺陷，不管缺陷是否開口，均可檢測出。對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，磁粉檢測對檢測對象的材質(zhì)有限制，只能針對鐵磁性材料制成的換熱管和管板焊縫，如10鋼、鉻鉬鋼等，對奧氏體不銹鋼則不適用。

磁粉檢測方法有多種，進一步的選擇應(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)進行。當換熱管間距較大時，可選擇單磁軛法；當間距較小時，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)，磁力線均變形嚴重，因此必須用試片驗證。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，γ射線技術(shù)一般用小焦點Ir192放射源。X射線具有檢測靈敏度高、曝光時間短、對人員傷害小和防護方便等優(yōu)點，在實際生產(chǎn)制造中得到了廣泛應(yīng)用，而γ射線只是X射線技術(shù)受限時的補充方法。因此，棒陽極射線檢測技術(shù)實為管子-管板角焊縫X射線檢測技術(shù)，其現(xiàn)場檢測實物圖見圖8。

圖8 換熱管-管板焊縫棒陽極射線檢測現(xiàn)場實物

棒陽極射線檢測技術(shù)采用特殊的微焦點X射線發(fā)生裝置，對換熱管進行適當?shù)暮穸妊a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，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)定只針對密封焊結(jié)構(gòu)，對強度焊結(jié)構(gòu)無具體要求，當強度焊坡口較深或換熱管伸出管板較長時，缺陷影像的放大作用明顯，具體實施時可根據(jù)實際情況確定。

采用棒陽極射線檢測換熱管-管板焊縫有3個關(guān)鍵點，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)被檢對象的特點選用最優(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準備適宜的靈敏度試片。靈敏度試片的形式和缺陷對比尺寸，需要依據(jù)相關(guān)無損檢測標準并結(jié)合用戶的具體要求進行個性化制作。其他相關(guān)注意事項包括防止背散射、膠片準備等。

2.4 超聲波檢測法[15]

2.4.1技術(shù)特點

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，該方法特點突出，優(yōu)勢明顯。在技術(shù)上，它適用的檢測范圍更廣，對缺陷的定位更準確，檢測結(jié)果的靈敏度更高，檢測速度更快。在經(jīng)濟性上，它的檢測成本更低。在操作上，使用的設(shè)備輕便，對人和環(huán)境無害。

2.4.2技術(shù)應(yīng)用注意事項

(1)探頭的選型 進行管頭超聲波檢測時，探頭放置在換熱管內(nèi)部，其接觸面應(yīng)能對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，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行調(diào)節(jié)，參數(shù)準確無誤才能進行檢測。

(3)檢測過程控制 對于管頭焊縫檢測，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，需要穿透換熱管壁厚進行檢測，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確位置。綜合考慮管頭形式、管壁等結(jié)構(gòu)形成的回波對檢測結(jié)果的影響。

(5)人員培訓 實施檢測前，需要對人員進行管頭超聲波檢測各項參數(shù)的培訓，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)必嚴格按照各項要求進行，隨時了解各參數(shù)的變化。檢測后，還要認真分析，做好記錄。

2.4.3檢測實踐

采用超聲技術(shù)檢測換熱管與管板焊縫時，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)部缺陷的實踐表明，對于直徑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，故該方法針對密封焊的檢測效果不佳。對直徑大于25 mm的換熱管焊縫，超聲波方法可達到1 mm×2 mm的孔檢測靈敏度，但檢測時需要制作特殊探頭和專用曲面校準試塊。

2.5 相控陣檢測法

相控陣檢測技術(shù)采用相對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，對換熱管和管板焊縫進行掃查。設(shè)置好掃查角度及焦距，針對焊縫中的不連續(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

在熱交換器介質(zhì)不太苛刻，不嚴禁發(fā)生泄漏或有強度脹部分保障，或有基本的密封焊結(jié)構(gòu)時可只進行滲透或磁粉檢測。對于鐵磁性材料，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，要求較高時可每焊接一層進行一次滲透檢測，同時注意滲透劑要清理干凈，否則會對后續(xù)的焊接及其他工作造成質(zhì)量影響。

當介質(zhì)很苛刻，嚴禁發(fā)生泄漏或用戶明確要求的情況下，要進行內(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，檢測費用也高，底片評定需要一定經(jīng)驗，同時有輻射危害，不同管頭伸出長度對檢測結(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，同時需要專用的校準試塊，對檢測人員要求較高，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)的檢測標準，但檢測結(jié)果也較直觀，對設(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，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)備浸泡進液體內(nèi)，起泡液不可用家用洗滌劑，要保證形成氣泡時不會迅速破裂。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，先對氦檢漏儀預熱和校準，對設(shè)備殼程充入體積分數(shù)不低于10%的氦氣，保壓時間不小于30 min，從下往上按順序逐個焊縫檢測。當有微小泄漏時，檢測儀器就會及時報警，一般檢測泄漏率可以達到10-5Pa·m3/s。

4 結(jié)語

當熱交換器介質(zhì)不太苛刻，不嚴禁發(fā)生泄漏或有強度脹部分保障的情況下，可只進行滲透或磁粉表面檢測。當介質(zhì)很苛刻，嚴禁發(fā)生泄漏或用戶明確要求的情況下，要進行內(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)議或用戶要求可進行泄漏或氦檢漏檢測，保證致密性。