换热器管束的无损检测（共4篇）
摘 要： 换热器是用于热量交换的压力容器之一，在石油化工、化学工业、能源工业及其它许多工业生产中应用广泛。本文综述了管壳式换热器管的几种无损检测技术，包括涡流检测技术、内旋转超声检测技术、声脉冲反射技术，分别介绍了这些无损检测方法的原理和优缺点。
关键词：换热器 涡流检测 内旋转超声检测 声脉冲反射技术
中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2016）05-0316-01
换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在石油化工、化学工业、能源工业及其它许多工业生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用非常广泛。据统计，在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%[1]。
目前，在换热器设备中，使用量最大的是管壳式换热器，约占换热器设备量的70%[2]，由于换热器设备工作环境复杂，腐蚀介质种类不断增加，致使换热器设备寿命往往只有几个月或一两年，造成了设备的破坏事故。同时，导致换热器失效的原因又是多样复杂的。据国内外化工设备损坏情况介绍，换热器管束失效主要表现在缝隙腐蚀、冲蚀、垢下腐蚀等[3-5]。
管壳式换热器是一种结构特殊的压力容器，为保证其在使用过程中的安全性和可靠性，必须对其进行定期检验。以下综述几种常用换热器管无损检测（NDT）技术。
一、涡流检测技术（ET）
涡流检测的基本原理为：当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件（相当于次级线圈）时，由于线圈磁场的作用，试件中将会感生出涡流，与涡流伴生的感应磁场与原磁场叠加，使得检测线圈的阻抗发生变化。导电体内感生涡流的幅值大小、相位、流动形式及伴生磁场受到导电体的物理及制造工艺性能的影响。因此，通过测定检测线圈阻抗的变化，就可以非破坏性地判断出被测试件的物理或工艺性能及有无缺陷等，此即为涡流检测的基本原理。涡流检测主要是检查管壁内外表面的蚀坑、裂纹及冶金缺陷等[7]。
涡流检测适用于各种导电材料制成的管件的表面检测，不论管件是铁磁性的，还是非铁磁性的，也不论是金属或者是非金属，只要材料是导电的，且外径和壁厚满足一定条件均可用涡流法检测。涡流检测时，线圈不需要接触工件，也无需耦合介质，所以检测速度快；对工件表面或近表面的缺陷，有很高的检出灵敏度，且在一定的范围内具有良好的线性指示；可用在高温状态、工件的狭窄区域、深孔壁（包括管壁）进行检测；能测量金属覆盖层或非金属涂层的厚度。
换热器管束主要为具有铁磁性的钢管和不具有铁磁性的不锈钢管、铜及铜合金管、钛及钛合金管、铝及铝合金管等。正式检测前必须利用标准样管对仪器进行参数选择和设定，可根据涡流渗透深度公式进行检测频率预选，再对标样管进行测试，进一步修正参数，最后找出频率、相位及增益等参数的最佳值。对检测发现的缺陷信号进行评定是检测中最关键的技术，由于现场的情况十分复杂，检测信号受管子材质差异、缺陷形状、尺寸和位置等因素影响较大，尤其对多信号叠加形成的复合信号更加难于分辨，因此，涡流检测技术较依赖于检测人员，由于检测人员的专业素质和经验不同，缺陷识别率也不相同。
二、内旋转超声检测系统（IRIS）
内旋转超声检测系统（IRIS）是一种以超声测厚技术为基础从管子内部进行脉冲回波式超声水浸检测的技术。其主要用途是对在役的换热器管束进行壁厚测量，超声波探头通过对中装置在充满水的管子内部以螺旋的方式检测，通过计算机软件的相关处理，能实时显示管子管壁的横截面图（B扫描）、管壁展开图（C扫描），以及管子纵向截面图（D扫描），通过分析便可以检测到一些壁厚减薄类的缺陷，包括表面的腐蚀、介质冲刷造成的冲蚀、管子振动造成的表面损伤等。
IRIS用于换热器管子的检测时，可以检测铁磁性、非铁磁性、非金属材料制成的管件，不受材料电导率或磁导率的影响，能精确测量管子的内径及壁厚，能提供管子腐蚀和裂纹的准确位置。在IRIS检测前，需要采用相同规格和材质的样管来加工一些人工缺陷，通过软件的调节和校准，以满足对检测灵敏度的要求。
IRIS检测精度高，但对管道清洁度要求也高，要求管束内表面干净几乎是裸露金属，而且需要对管子充满水进行耦合，检测速度比较慢，操作相对复杂。受内表面清洁度影响，检测数据会有丢失现象，一般对外壁腐蚀检测效果好于内壁腐蚀，此检测方法存在一定的盲区。另外，在一些特殊形状的管子检测方面，如弯曲、螺旋或翅片状，此方法适用性也很低[8]。
三、声脉冲反射技术（APR）
声脉冲反射技术（APR）基本原理：当声脉冲射入管内的空气中，会沿管内部传播，一旦遇到横截面变化，脉冲将会分为两束，一束回波，沿管道返回，一束继续沿管传播，反射回波可以被接收器接收并进行测量。反射波的振幅与类型由反射处的特性决定：横截面收缩产生正弦反射，横截面扩展产生负弦反射。不同缺陷产生不同特征的信号，通过对信号进行分析可以判断缺陷的类型。
APR作为一种新的针对换热器管束的无损检测技术，可以检测管子堵塞、穿孔和内壁壁损，该技术可以实现以较快的速度和较高的效率实现缺陷的检测。由于声脉冲是在管内空气中传播，不受管子材质的影响，所以，理论上APR技术适用于所有材质的管子，对U形管和其他形状管（蛇形管、螺旋管）均能检测。APR是否能正确识别判断反射信号特性，受背景噪音大小，反射点与管口的距离，信号处理方法，参考管的选择等因素影响。在现场进行校验检测是非常重要的，对无缺陷管的检测是作校验参考用的，检测得到的信号会与校验参考管的数据进行对比扣除背景噪音，降低干扰，提高缺陷的识别率。然而，实际检验中，换热器管束可长达几十米，材质也各异，随时随地携带一根校验管不太现实。目前，解决这问题的办法是从大量的管束检测值中选用一个检验结果最好的管子的数据作为校验值；或利用统计学的方法，结合大量的管子检测值进行平均，创建一个校验值。
造成换热管失效的缺陷最主要的是各种腐蚀，而常用的涡流检测对一些裂纹、单个的点状缺陷检测效果较好，对许多腐蚀类缺陷检测效果和检测精度相对较差，在这方面，IRIS检测则能显示其技术上的优势，其图像显示和基于超声测厚技术的绝对精度都远远领先于涡流检测。APR作为一种新型的针对换热器管束的无损检测技术，能以较快的速度和较高的效率实现缺陷的检测，对换热器快速全面扫查是很方便的。
参考文献
1振因分析
为了强化传热,提高给热系数,以便得到热效率高的热交换器,通常要提高流速。当流速加大时,往往会造成流体横流过管子所产生的卡曼旋涡的脱落频率与换热管的固有频率相一致,这对就产生共振现象[2]。再者,由于流体的紊流.将对换热管施加一随机的激振力,当激振力的主频率与管子的固有频率相同或接近时,也将引起管子共振。另外, 当流体流动速度超过临界时,就自激而引起振动。通常认为,当管子间距较大时卡曼旋涡的影响可能是主要的,当管子间距较小时,由于没有足够的空间产生旋涡分离,紊流的影响可能是主要的。在列管式换热器中,最严重的情况是卡曼旋涡的脱落频率(或紊流抖振主频率),声频与换热管的固有频率相等或接近时,换热器中出现强烈的噪声,管子产生激烈的振动,此时换热器很快遭到破坏.因此研究换热器的动态特性和动力响应是十分必要的。
2管束固有频率和振型向量方程的建立
管束的自由振动方程[3]:
对n个自由度管束,位移向量为:
{x}=[x1x2x3 … xn]T
[M]、[K]均为n×n阶对称矩阵。对具有足够约束的管束,[M]、[K]是正定的。
自由振动方程(1)是二阶常系数齐次微分方程组,设各个位移分量作相同的简谐振动,即
{x}={X}sin(ωt+φ) (2)
式中:{x}——振幅向量,{X}=[X1X2X3 … Xn]T
ω——振动圆频率
φ——振动初相位
把式(2)代入式(1),消去因子之后,得到代数方程组:
([K]-ω2[M]){X}=0 (3)
其中称为特征矩阵。齐次线性代数方程组(3)有非零解的充要条件式它的特征矩阵的行列式为零,即
det([K]-ω2[M])=0 (4)
式(4)称为特征方程。它ω2是的n次多项式,它有n个根ω
[U]=[{u}1 {u}2 … {u}n] (5)
由于Subspace法,在处理系统中存在等固有频率或有几个固有频率非常相近时,可以防止收敛速度太慢;且当计算系统自由度数多达百万个,而只需要得到的固有频率与主振型只是最低三、四十个,可以进行坐标缩聚,因而它计算结果的精确度和可靠性都较高。它是大型结构振动分析的最有效方法之一[4]。
3ANSYS模态分析
ANSYS软件是美国Swanson公司推出的融结构、流体、电磁、热、声学为一体的大型通用有限元分析软件, ANSYS环境下的模态分析是一个线性分析,整个过程分为四步[5]:
(1) 建模:在前处理中定义单元类型,单元实常数,材料性质和模型几何性质,由于模态分析中只包括线性行为的分析,因此在定义单元时必须选用线性单元。
(2) 加载及求解:定义分析类型和分析选项,施加载荷,指定加载步选项,进行有限元计算求解固有频率。ANSYS提供了7种模态分析的方法,分别是子空间法(Subspace),分块Lanezos方法(Block Lanezos),Power Dynamics方法,缩减法(Reduced),非对称法(Unsymmetrie),阻尼法(Damped),QR阻尼法(QR Damped)。在通常的使用中,选择分块Lanezos方法、子空间方法、Power Dynamics方法、缩减法已经足够大多数分析使用了。
(3) 扩展模态:所谓的扩展模态就是将振型写入结果文件,如果想在后处理中观察到振型,就必须先进行模态扩展。
(4) 观察结果:经过模态扩展以后模态分析结果被写入到结构分析的结果文件中,其中包括:固有频率,扩展模态形状以及相对应力和力的分布。
4实例分析
某固定管板式换热器壳体厚度为14mm;固定管板厚为68 mm;折流板厚14 mm;换热管的直径Φ25×2mm;固定管板尺寸D=1360 mm;公称直径DN=1200 mm。固定管板与折流板间距450 mm;折流板之间的间距60 mm。固定管板、折流板采用空间壳单元模拟;换热管采用空间梁单元模拟,取固定管板式换热器的管板、和折流板和管束为计算模型,管束共取了655根换热管。在管板处与换热管接触处,将两个重合的节点完全耦合;在折流板与换热管接触处,将两个重合节点的UX和UY的自由度耦合起来;将折流板与壳体接触处按简支处理;将管板四周按固定约束处理。整个模型共剖分43564个空间壳单元,51324个空间梁单元。具有几何特性形状的有限元网格划分图和实体模型分别如图1、图2所示。
用子空间叠代法(Subspace法)对换热器管束的模态求解,求得换热器管束的前2阶固有频率值(见表1 )画出了换热器管束各阶固有频率对应下的振型图(见图3 )。
5结论
(1)对于换热器,纵向流所激发的振动振幅小,危害性不大,往往可以忽略。在正常的流速下,横向浇可能引起很大的振幅,对换热器危害性很大。因此准确地计算换热管的自振频率,特别是它的基频。对于预测换热器的振动具有十分重要的现实意义。
(2)壳程流速与换热器的自振频率是影响管壳式换热器振动的两个主要参数,为防止换热器振动。务必使激振力频率避开管子的自振频率。必要时可通过减少无支承的最大跨长,变更管子材料,增加管子壁厚的办法来增加管子的固有频率。
摘要：根据固定管板式换热器的结构特点,采用有限元法对该结构进行有限元离散,壳体、固定管板、折流板采用空问壳单元模拟、换热管采用空问梁单元模拟,分别建立了精细的有限模型和常规的简化有限元模型,对管束动态特性进行了计算。其结果对于预测换热器的振动具有十分重要的现实意义。
关键词：管束,振动,有限元法,模态分析
参考文献
[1]程林.换热器内流体诱发振动[M].北京:科学出版社,1995:17-73.
[2]符兴承,吴金星.管壳式换热器管束振动分析及防振措施[J].化学工业与工程技术,2003,24(6):26-28.
[3]戴波,柳红.管壳式换热器声振动探析[J].当代化工,2001,30(3):51-52.
[4]钱颂文,等.换热器流体诱导振动—机理、疲劳、磨损、设计[M].北京:烃加工出版社,1989:33-74.
一、常见堵漏方法利弊分析
对于AES或BES封头式换热器, 常用移位抽芯堵漏和在位不抽芯堵漏两种方法。移位抽芯堵漏是把换热器管束拆下, 装入专用的打压筒体内, 注水加压检漏。该方法的缺点是打压筒体制作费用高、工作量大、耗费工时, 不便于及时恢复装置生产作业, 在实际设备检修中一般不采纳。常用在位不抽芯检漏方法。
1. 注胶堵漏法
该方法是通过拆下列管式换热器的管箱盲板, 找到泄漏的管束, 然后用长度比换热器管束到浮头长30~40 mm, 直径小2~3 mm的金属杆从管箱端插入到管束的浮头端, 再用注胶枪向泄漏管束逐步倒退注胶, 直至管束的漏点完全密封, 最后用堵头将泄漏管束两端密封固定, 这种方法缺点是漏点查找慢, 封堵材料成本较高。
2. 假帽试压圈堵漏法
该方法是将浮头管板与壳体法兰之间加以密封, 只露出浮头管板的换热管口侧, 就可以对壳程注水加压、查找管束漏点。这种方法需制作密封筒体结构, 筒体包括打压法兰、短筒、填料函和填料压盖。该方法缺点是密封筒体制作费用高、制作周期长、闲置率高, 还需现场组对焊接, 不能满足低成本和快速恢复生产的需要。
二、新检漏堵漏法
介绍一种能够快速查找漏点的新方法, 该方法能够快速查找泄漏的管束, 具有成本低廉、查找快捷、施工周期短等特点, 在生产现场获得广泛运用。
1. 施工步骤
(1) 拆卸与清洗。拆卸管箱盲板和内外浮头, 用高压水枪对管束和管板表面进行冲洗, 确保管束和管板表面清洁无污物。根据管束内径提前加工堵头, 用于泄漏管束的封堵, 可以为整个作业节省时间。为保证焊接质量, 要求堵头的材料与管束一致。
(2) 干燥管束。用带压干燥的工厂风或仪表风对每根管束的内表面进行吹扫风干, 直到管束内无水渍并达到干燥为止。否则管束中的余水会造成泄漏管束的错误判断。
(3) 管束封堵。内浮头侧的管束用胶泥或合适的橡胶塞进行封堵, 封堵情况如图1所示。管束封堵后, 安装内浮头和外浮头, 对壳程进行试压。值得注意的是, 在塞胶泥的时候, 要让胶泥深入管内50 mm左右, 然后用力让胶泥与管板紧密贴合, 防止胶泥脱落。
(4) 试压检漏。确认胶泥封堵完成后, 安装内外浮头, 从设备低点处往壳程注水, 在壳程高点排气, 注水过程不能太快, 否则不利于排气。确认壳程灌满水后, 用试压泵加压。压力为设备工作压力的1.5倍, 同时观察管箱侧的管束和管板情况, 确认是否有水流出。在有水流出的管子做好标记。为一次性试出所有裂纹穿孔的缺陷管束, 稳压时间可适当延长。升压过程如图2所示。
2. 堵管作业
泄漏管束确认后, 将壳程里的水排出。拆除浮头端的内外浮头, 查看内浮头端的胶泥是否有被冲掉或出现松动的现象。如果有这种情况, 则标记为泄漏管束。将标记的管束两端用堵头焊接封堵。
(1) 焊接前准备。将管束内余水用干燥空气吹干以免影响焊接质量, 对焊接部位进行除锈并用砂纸打磨出金属光泽。如果介质含硫, 则用丙酮对焊接部位周围进行清洗。加工如图3所示堵头, 堵头材料与管束材料应一致。为保证可焊性, D1尺寸应比管束内径小0~0.1 mm, 保证堵头能放入管束内并且与管板平齐, D2尺寸比管束内径小1~1.5 mm即可, 长15~20 mm。
(2) 将堵头放入管束内, 保证堵头与管板平齐或略微凸出, 以方便焊接。
(3) 焊接控制。以20#钢为例, 为避免焊接过程中在热影响区出现裂纹, 采用控制焊接参数、焊后缓冷等方法。焊缝冷却后用磁粉探伤废热方法进行检测, 观察是否出现焊接热裂纹。焊材选择和焊接参数如表1所示。图4为堵头焊接过程, 焊后效果如图5所示。堵管作业完成, 待焊缝冷却后按试压程序再次升压检漏, 直到将泄漏管束全部找出并封堵为止。
三、效果及成本
此种查漏堵漏方法不需要其他特殊机具和设备, 胶泥采用小学生教学用材料, 成本低廉, 易于获得。该方法已经非常成熟, 可快速找出泄漏管束进而封堵并使换热器投入正常生产使用, 能够成功解决了列管式换热器管束泄漏问题, 从而保障装置短时间内恢复生产。通过多年的实践, 经过该方法处理后, 设备没有出现过复漏现象。
四、结语
1 材料分析
(1) 1 0Cr Mo1 VN b钢是一种改良型的9Cr-IMo马氏体钢种加入V、Nb等合金元素, 具有良好的抗高温氧化和抗高温蒸汽腐蚀性能, 而且还具有良好的冲击韧性和高而稳定的持久塑性及热强性能。在使用温度低于620℃时, 其许用应力高于奥氏体不锈钢。在550℃以上推荐的设计许用应力明显高于T9、2.25Cr——1Mo钢。 (2) 这种钢材的焊接对我们公司来说是比较困难的, 各项技术指标相当高, 近几年在国外开始广泛使用, 但是没有一个完善的焊接工艺。 (3) 在焊接实验室内对10CrMo1VNb进行模拟性试验, 得到相关焊接参数, 作为焊接工艺编制的依据。合格之后方能进行给水预热器的施焊工作。
2 焊接接头的脆化
(1) 晶粒粗大引起脆化焊缝及热影响区粗晶区加热温度超过1100℃晶粒长大速度较快, 在1100℃以上停留时间越长, 晶粒粗化越严重, 粗晶组织脆性大。所以要解决这个问题, 必须通过控制焊接线能量。线能量小, 高温停留时间短, 晶粒细小, 焊接接头的韧性大大提高。 (2) 焊接线能量与焊接韧性的关系:焊接线能量是焊接能源输入给单位长度焊接缝的能量。其公式为:
E为焊接线能量;
U为焊接电压 (V) ;
I为焊接电流 (A) ;
v为焊接速度 (cm/min) 。
由上式可知, 焊接线能量E与焊接电压、焊接电流、焊接速度有关。因为每台电焊机的焊接工作电压是一个常数, 对焊接线能量的影响不大。焊接电流与焊接线能量成正比, 焊接电流越大, 线能量越大, 而焊接电流过大, 高温停留时间太长, 晶粒粗大引起脆化。焊接电流过小焊缝熔化不好, 容易产生未熔合以及夹渣等焊接缺陷。如果又要保证焊接电流合适, 又要保证焊接熔化良好, 在这个范围之内, 焊接电流的变化不大。最后一个可以利用的条件就只有焊接速度V, 焊接速度与焊接线能量成反比, 焊接速度越快, 线能量越小, 高温停留时间越短, 晶粒将越细小, 而焊速越快, 焊缝熔池就小, 每层焊道必须进行多层多道焊才能填满焊缝。由于设备需要加热等原因, 焊接位置包括水平固定焊 (5FG) , 焊接必须采用了多层多道焊法。采用多层焊, 由于后一道对前道的热处理作用能细化晶粒是马氏体组织生长成一个自回火作用, 并能改善前层焊缝和热影响区的组织, 对防止裂纹有好处。焊接线能量对材料冲击韧性存在很大影响实验表明, 线能量为的6 0 K J/c m时, 冲击值从AK v=3.9-1 9.5当线能量为25KJ/cm时冲击值AK v=73.2-1 13.可见, 线能量的大小直接影响焊缝的冲击值。也直接影响焊缝的硬度。
3 淬硬组织引起脆化
对于手工焊来说, 冷却是比较快的, 电弧一离开, 马上开始迅速降温, 因此过快冷却容易出现淬硬组织, 形成粗大的马氏体, 这是导致脆化的另一个原因。要解决冷却速度快, 避免产生淬硬组织的问题, 通过焊前预热以及焊接过程中也伴随着加热, 较好的解决了这个问题, 将焊接预热温度控制在200℃～250℃, 层间温度控制在200℃～300℃使焊缝结晶组织始终处在马氏体终了线以上, 减少淬硬组织的产生。
4 温度的控制
10CrMo1VNb钢马氏体转变终了线为22 0℃, 也就是说, 当焊缝温度达到2 20℃时, 焊缝组织中马氏体转变终了。在手工电弧焊接过程中, 热处理温度上限控制在马氏体转变开始线以下, 热处理温度下限控制在马氏体转变终了线以上, 使焊缝组织成为单一的马氏体组织。
5 温度误差
在焊接试验室内, 为了保证部件焊接温度的准确性, 采用热电偶实测温度与红外线温度检测仪同时进行焊缝温度的检测, 因此, 在工作之前调整检测仪表温度与所测实际温度的误差是一个较重要的工作, 所用热处理误差范围, 使其达到最小值, 此外热电偶位置的布置也非常重要。热电偶的布置都在焊缝两侧20mm的地方放置, 与红外线温度检测仪同时检测, 对所有焊缝的层间温度在一个水平上进行比较, 使每个焊口之间的误差达到最小值。
6 焊后降温的作用
焊接过程中冷却速度快, 组织转变非常迅速, 有些奥氏体来不及完全转变为马氏体, 若马上进行高温回火, 会出现晶界沉淀和奥氏体向铁素体转变, 这种组织很脆。但冷却到温度为86℃时又会出现冷脆。一般是在焊后热处理前, 必须冷却至100℃～150℃, 保温1h:使残余奥氏体全部转变为马氏体后再进行回火热处理。
7 高温回火的作用
焊后热处理对10CrMo1VNb钢焊缝的冲击韧性影响也很大, 可用下式表示回火参数 (1) :P=T (Logt+20) 10-3 (1)
式中T为回火温度 (K) ;
t为回火时间 (h) 。试验表明:焊缝的冲击值AKv、随P值的增大而提高。回火温度730～780℃, 保温时间不少于1h
8 严格控制预热温度
冷裂纹是在焊后冷却过程中, 在370℃点附近或更低的温度区间逐渐产生的 (甚至在室温下) 一种裂纹。产生原因:三大条件——裂纹三要素。控制焊接热循环, 防止焊缝和HAZ脆化及裂纹, 粗晶区越窄越好。降低应力, 减小拘束, 降低残余应力, 防止产生裂纹, 要求不能强行焊接。为了减少焊缝和HAZ的粗晶脆化, 应尽可能选择小规范, 使1100以上停留的时间越短越好, 从而降低晶粒的粗化程度, 而从防止产生冷裂纹, 减少脆硬脆化, 要求在370℃点附近冷却要慢, 得到回火马氏体。为了解决矛盾, 采取了预热的办法。
9 效果检查
检查结果:我们通过焊口返修, 焊缝组织全部是晶粒细小的板条状马氏体, 焊缝硬度值HB全部小于250, 都是韧性焊口。所有焊口按照JB4730-2005压力容器无损检测标准规定探伤结果:裂纹率为0%。
10 结语
通过这次试验, 为我公司今后焊接10Cr Mo1VNb马氏体钢打下了基础。锻炼了我们的队伍, 为配合化工设备生产做好准备。
摘要：高压锅炉预热器是重要的化工设备, 是三类压力容器, 材料特殊制作难度大, 通过焊接试验得到相应参数, 编制合理的焊接工艺得到无裂纹、硬度合适, 组织细小的马氏体。
