涉硫换热器中换热管与管板焊缝泄露修复工艺的制作方法

本发明涉及管与管板焊接修复工艺，具体涉及涉硫换热器中换热管与管板焊缝泄露修复工艺。

背景技术

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。换热器是石油、化工、冶金、电力、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。对国内外换热器市场调查表明，虽然板式换热器的竞争在上升，但管壳式换热器仍占主导地位约64％。腐蚀是管壳式换热器最常见的失效形式。腐蚀最常见的部位为换热管与管板连接处，受到腐蚀的成因如下：a.管程和壳程工作介质自身的酸碱性存在着腐蚀性；b.壳体或是换热管中的拉应力；c.换热管和管板之间存在着缝隙等情况。上述情况均会加快腐蚀的进度，从而造成换热器的泄露、失效，导致换热介质和化工材料出现混合，生产工艺温度难以控制，致使生成其它产品，严重影响产品质量、设备使用效率。

针对不同规格、材质、使用环境的换热管与管板，在焊缝泄露修复时，为达到良好的焊接修复质量和满足产品要求，需采用与之相配合的特定焊接修复工艺。

换热器常应用于涉硫环境，如作为换热设备应用于高含硫天然气净化厂的硫磺回收装置。然而，目前为止，对涉硫换热器中换热管与管板焊缝泄露修复还没有较为成熟的工艺技术，尤其是自动焊缝修复技术，采用现在的修复技术进行焊缝修复仍具有很大难度，且修复后容易再次泄露，质量无法保证。

传统的焊接修复常常是将换热器整体或局部拆解、吊装、返回厂家、更换新品，此种方式大大增加了设备因整体拆除、安装、停产、运输及返厂修复的费用，延长了装置检维修周期。若在现场再制造修复，修复作业在受限空间内进行，且换热管排列紧凑，管间距小，热应力大，易造成管头开裂，对焊工技术、焊接工序控制、质量检测等方面都提出了更高的要求。

因此，亟待研发出一种焊接过程高效、稳定，准确度高，返修率低，可有效实现对换热器中、尤其是涉硫换热器中换热管与管板焊缝泄露修复的工艺。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，通过确定高温、高含硫、临氢环境下换热器的腐蚀原因，确定了以冷焊技术为主的现场再制造技术，修复过程稳定，且成功解决了换热器管与管板焊缝产生腐蚀而导致的换热器泄露、失效的问题。

本发明的目的在于提供一种换热管与管板焊缝泄露修复工艺，该工艺包括：

步骤1)，焊前对换热器进行预处理；

步骤2)，调试焊接设备，进行焊接修复；

步骤3)，对焊接修复处进行焊后处理和检验。

根据本发明提供的换热管与管板焊缝泄露修复工艺，具有的有益效果包括：

(1)本发明中选用合适的熔池体积和熔池形状，同时保证熔深及熔透良好，提高焊接质量；

(2)本发明提供的修复工艺中多次采用清洁处理程序，有效避免杂质影响最终焊接质量；

(3)本发明提供的涉硫换热器焊前消氢可有效除去渗透到管板和换热管壁内的残留氢，避免产生氢致延迟裂纹；

(4)本发明提供的类激光高能脉冲精密冷补技术对涉硫换热器中换热管与管板焊接处进行修复，结合特定的焊接参数，使得焊缝密封性好、焊接质量高、过程稳定可靠、焊缝成形均匀美观、根部熔合良好、焊接效率高，且经各项无损检验及理化性能试验，满足涉硫换热器中换热管与管板焊接质量要求；

(5)本发明提供的激光高能脉冲精密冷补机，有利于调整焊接能量，使焊缝成型均匀，焊接过程高效、稳定。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的换热管与管板焊缝泄露修复工艺图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的焊接坡口结构示意图。

附图标号说明：

1-管板；

2-换热管；

3-弧形坡口面；

a-坡口深度；

b-坡口宽度。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

换热管与管板焊缝的焊接质量至关重要，实际使用时，换热管与管板焊缝同时承受焊接残余应力和载荷工作应力，这些应力与腐蚀介质共同作用，会发生疲劳腐蚀裂纹和应力腐蚀裂纹，导致焊缝泄露；另一方面，由于换热管与管板焊缝焊肉很薄，如果在焊缝中存在气孔、夹渣等缺陷，有缺陷的部位在介质的腐蚀作用下，会很快穿透发生泄露，导致换热器失效，影响正常生产。

涉硫换热器由于工作环境恶劣，换热管与管板焊缝更易发生泄露现象。如换热器应用于高含硫天然气净化厂的硫磺回收装置时，来自天然气脱硫单元的再生酸性气体，与一定量的空气在反应炉燃烧器内燃烧，酸性气体中的h2s、nh3以及可燃组分分别发生反应。绝大多数h2s直接生成气体硫，一部分h2s生成so2，燃烧后的介质中还有少量的so2、co2、cs2和cos等，燃烧后的混合气统称过程气，过程气随后进入第一级硫冷凝器、第二级硫冷凝器等换热器。其中，部分so2会生成so3进而与过程气中水分结合，形成硫酸腐蚀换热管。而过程气中的h2s具有很强的活性，在氢(元素)的促进下，硫化氢可以加速对金属的腐蚀，产生条状裂纹。这是由于在临氢环境下，氢作为间隙型质子能够不断的侵入硫化物腐蚀层中，造成垢层疏松多孔，使金属原子和硫化氢介质得以互相扩散、渗透，从而引起硫化氢腐蚀不断的进行，产生泄露。

现在普遍采用氩弧焊焊接修复涉硫换热器的泄露。传统氩弧焊焊接时线能量过大，热量集中，不仅有损材料的强度，而且存在较大焊接残余应力，容易引起热应力变形、应力腐蚀开裂，对高含硫工作环境下换热管与管板焊缝的泄露修复效果差。同时，由于硫腐蚀后对换热管与管板物理和化学性质的改变，其他传统修复方式如常规激光焊接等均无法做到准确、高效、低返工率修复，常规修复方式补焊成功率不高的原因可能如下：

(1)在临氢环境下使用过的设备，母材表面已经渗氢，大部分氢滞留在管板和管壁之中，补焊后的焊缝很容易产生延迟裂纹，延迟裂纹导致试压及使用中再次泄露；

(2)换热管与管板焊缝在其他一些含硫和含氢物料的共同作用下，使焊缝及母材变酥变脆，导致可焊性严重下降，在较大应力作用下焊完立即裂，根本无法完成补焊。

(3)热输入量较大的修复工艺使补焊部位形成较大的应力，较大应力可能造成周围附近完好管头损坏及管板变形。

因而，本发明的目的是提供一种换热管与管板焊缝泄露修复工艺，以应用于涉硫换热器，该工艺包括以下步骤：

步骤1)，焊前对换热器进行预处理；

步骤2)，调试焊接设备，进行焊接修复；

步骤3)，对焊接修复处进行焊后处理和检验。

优选地，工艺的具体步骤如图1所示。

在步骤1)中，焊前对换热器进行预处理。

本发明中，预处理包括对换热管管头和管板进行除油、除锈处理，焊缝缺陷定位、以及焊缝处原始焊肉的去除。

投入使用的换热器的换热管管头与管板表面附有很多杂物，包括锈蚀物、垢、油脂等，采用油污清洗剂、除锈磷化液对要进行修复的换热管管头及管板表面进行擦拭，再使用打磨机进行初步打磨，进行进一步除油、除锈处理。油污清洗剂、除锈磷化液配合打磨机能够彻底除去焊缝金属周围锈蚀物、垢、油脂，较传统手工打磨清除更彻底。本发明对油污清洗剂的具体种类不做限定。

本发明中，焊缝缺陷定位采用pt渗透检测技术进行。优选地，通过pt渗透检测后，再通过棒阳极射线检测方法对换热管与管板焊缝处进行检查、缺陷定位。换热管排布密集，受空间限制，普通射线检测无法对换热管与管板焊缝的位置进行检查，而棒阳极检测能够对焊缝内部缺陷的深度、位置、长度准确定位，便于后续修复处理。其中，棒阳极射线检测参数为：管电流0.5ma，管电压120kv，焦点尺寸0.6mm，曝光时间40sec，曝光距离37mm，胶片尺寸100×120mm。

本发明中，经过除油、除锈处理，焊缝缺陷定位后，对存在缺陷的焊缝进行原始焊肉去除，以重新实施焊接。

在一种优选的实施方式中，焊缝处原始焊肉的去除包括以下步骤：

步骤i)，将存在缺陷的焊缝处的焊肉余高削平，

步骤ii)，去除削平的焊缝焊肉，并在换热管与管板连接处形成坡口，优选为单边弧形坡口，如图2所示。

在进一步优选的实施方式中，采用气动坡口机对原始焊肉进行去除，其中，

步骤i)中，选择平口刀片将存在缺陷的焊缝处焊肉余高削平；

步骤ii)中，选用单边弧形刀片使换热管与管板连接处形成单边弧形坡口，便于后续焊接作业。在去除焊肉的过程中保证原始焊肉完全被清理干净，直至露出管板和换热管之间的缝隙。

进一步地，若单边弧形刀片没有对焊缝完全进行清除，更换尖头刀片将残留在坡口根部的焊肉完全清除。若原始焊肉未清除干净，必然影响后续特定焊接工艺的焊接质量，并且缺陷中残留氢扩散到焊缝中聚集会产生氢致延迟裂纹，导致试压及使用中再次出现泄露。

在进一步优选的实施方式中，如图2所示，单边弧形坡口位于管板1和换热管2的连接处，其包括弧形坡口面3。单边弧形坡口深度a为3.5～5mm，坡口宽度b为3～3.5mm。上述单边弧形坡口为配合本发明提供的特定焊接工艺及特定使用环境下的换热器而设置，提供合适的熔池体积和熔池形状，同时保证熔深及熔透良好，保证管板和换热管连接处修复完整。

在更进一步优选的实施方式中，去除换热管与管板焊缝处原始焊肉后，对待修复焊缝处进行渗透检测，优选采用pt渗透检测技术检测缺陷焊缝是否清理干净，如检测不合格应该继续去除原始焊肉，直至渗透检测结果合格为止。渗透检测合格的指标为：依据nb/t47013.5-2015标准规定，检测后不允许存在任何裂纹。

在本发明中，焊前预处理还包括对换热管管头和管板进行消氢处理，除去渗透到管板和换热管壁内的残留氢。优选地，消氢工艺参数包括：升温速度≥200℃/h；升温至最高温度350℃，保温2～3h；保温期间温差≤50℃，降温采用自然冷却的方式，降温期间不拆除保温装置(如保温棉)。

具体地，消氢处理步骤如下：

步骤i)，选择进行焊前消氢处理的区域，用保温棉将要进行焊前消氢区域内的所有管头进行封堵，封堵深度≥50mm，以减少加热过程中的热量损失；

步骤ii)，将电加热片覆盖到要加热的区域，电加热片和管板间不留空隙；

步骤iii)，用保温棉将电加热片进行覆盖，保温棉和电加热片间不留空隙；

步骤iv)，操控温控系统，按照消氢工艺进行升温、保温及降温。

在一种优选的实施方式中，焊前消氢处理后，在3小时内进行焊接修复处理，从而避免待焊接部位返氢。

本发明提供的焊缝泄露修复工艺中，管板为sa266-gr2钢材，其为合金结构钢；所述换热管为sa179钢材，其为碳素钢。

值得注意的是，碳素钢在临氢涉硫环境下更易受到腐蚀，材料的物化性质受到影响，加大了修复的难度。

步骤2)中，调试焊接设备，进行焊接修复。

本发明中，采用类激光高能脉冲精密冷补技术对涉硫换热器中换热管与管板焊缝处进行修复。

类激光高能脉冲精密冷补技术是在惰性气氛内，利用断续高能脉冲电流在电极和工件之间形成的瞬间电弧，使补材和工件瞬时熔结，形成冶金结合，并具有较小的热影响区，不会产生较大焊接残余应力，引起热应力变形。

在一种优选的实施方式中，所述焊接设备为类激光高能脉冲精密冷补机，用其对换热管与管板连接处进行焊接。焊接修补步骤包括以下步骤：

(i)调整冷补机焊枪钨极轴线与换热管轴线夹角，使夹角控制在15～30°，保证良好的熔化效果和结合强度；

(ii)在坡口内，从打底层焊道开始堆积至少三层焊道，过程中通过肉眼或者渗透检测观察焊接质量，有气孔夹渣等缺陷马上清除。最上层焊道高于基准面，并适当留出一定的加工余量，便于焊后表面修整。

优选地，焊接修复过程中，采用红外测温仪测温，控制焊层间温度不超过100℃，如果层间温度过高，会引起焊接接头晶粒粗化严重，塑性、韧性指标降低。

更优选地，坡口内设置三层焊道，即打底层焊道、第二层焊道和第三层焊道。

根据待焊接换热管与管板的规格及损伤后换热管与管板的状况，经反复计算和实验，得到最优化的焊接修复工艺参数，以保证焊接修复质量稳定可靠，包括：

打底层焊道：焊接电流160-180a，焊接时间0.5s，间隔时间0.3s，焊接速度10-20mm/min，惰性气体流量8-12l/min。

第二层焊道：焊接电流170-190a，焊接时间0.5s，间隔时间0.3s，焊接速度10-20mm/min，惰性气体流量8-12l/min。

第三层焊道：焊接电流180-200a，焊接时间0.6s，间隔时间0.3s，焊接速度10-20mm/min，惰性气体流量8-12l/min。

以上参数依据现场施工情况获得。对焊接参数进行设定和调节，当焊接参数在上述限定的范围内时，根据上述焊接参数得到的电弧刚好可以有效控制熔池的形态及与母材的熔合效果，从而使得焊缝融合良好，保证获得良好的焊缝成形和焊接质量。在焊接过程中，熔池或液态金属一直处在期望的状态，并与母材具有良好的熔合，从而形成良好的焊缝。

其中，惰性气体优选为氩气，纯度≥99.9％。

针对涉硫换热器中换热管和管板的材质，选用特制高纯度焊丝h08mn(hic)，规格为φ1.6mm。

激光高能脉冲精密冷补机电弧的产生由起弧、维弧、熄弧三个过程组成，由上述工艺参数可知，本发明工艺中这个过程持续时间为500-800毫秒，而两个电弧之间有较长的间隔时间，热量会通过基体扩散到外界，从而保证了“冷补”的实现。冷焊部位不会有热量的聚集。相比于氩弧焊，冷焊技术具有施焊过程热输入量小，无变形，无色差，没有硬点，熔接强度高，不会造成热影响区脆化，可进行全位置狭小空间的现场施工等特点。同时，冷焊后不需要进行消应力热处理，降低了时间和人力成本。

步骤3)，对焊接修复处进行焊后处理和检测。

本发明中，采用打磨机带钢丝刷，将焊道表面清理干净，直至焊肉漏出新鲜的金属光泽，通过打磨、研磨乃至抛光等方法处理修复部位使修复后的表面曲率及表面光洁度与其它部位保持一致，焊缝金属与母材连接处圆滑过渡，表面无飞溅。

通过严格执行步骤1和步骤2中技术方案，焊接完成后，无需对焊接后部位进行脱氢处理，即可保证焊后无氢致延迟裂纹产生。

若焊接完成后，厂方要求必须对焊接后部位进行脱氢处理，以进一步除去管板和换热管壁内的残留氢，避免产生焊后氢致延迟裂纹，本发明提供了一种优选的脱氢工艺参数，所述工艺参数包括：升温速度≥200℃/h；升温至最高温度350℃，保温2～3h；保温期间温差≤50℃；降温时降温速度≤55℃/h，降温期间不拆除保温装置(如保温棉)。

在一种优选的实施方式中，焊后采用pt渗透检测技术进行缺陷检测。优选地，通过pt渗透检测后，再通过棒阳极射线检测方法对换热管与管板焊缝处进行检查。其中，棒阳极射线检测参数为：管电流0.5ma，管电压120kv，焦点尺寸0.6mm，曝光时间40sec，曝光距离37mm，胶片尺寸100×120mm。

本发明提供的上述焊缝修复工艺结合特定的换热管与管板材质、使用环境、特定的焊接工艺参数，适用于换热器换热管与管板焊缝修复，尤其适用于涉硫换热器换热管与管板焊缝修复，使得焊缝密封性好、焊接质量高、过程稳定可靠、焊缝成形均匀美观、焊接效率高，且经各项检验，其结果满足涉硫设备换热管与管板焊接质量要求。

采用本发明提供的如上所述涉硫换热器中换热管与管板焊缝泄露修复工艺进行焊接后，检测结果如下：

目视检测：焊缝表面光滑平整，焊层均匀致密，与基材连接处光滑平整；

pt渗透检测：依据nb/t47013.5-2015标准规定，不允许存在任何裂纹；

棒阳极射线检测：依据nb/t47013.2-2015标准，1级焊接接头内不允许存在裂纹，未熔合，未焊透和条形缺陷；

压力变化泄露检测：使用洁净水对换热器壳体加压，稳压过程中无泄漏，压力表未降压。

如稳压过程中压力表发现降压，则降到安全压力后找到泄漏点，待修复后再重新进行水压试验，直至合格。

实施例

根据本发明提供的上述焊缝泄露修复工艺对普光天然气净化厂联合装置中涉硫单元换热器进行焊缝修复，其中末级硫冷凝器换热管规格为φ38.1×4.19×7620mm，材质为sa179钢材，管板材质为sa266-gr2钢材，具体如下：

(1)焊前预处理：

a)换热管、管板表面清理——

使用高效油污清洗剂对换热管管头和管板表面氧化物、油污、垢进行清理。

b)缺陷定位——

使用打磨机进行初步打磨，配合pt渗透检测方法找到缺陷位置。

c)清除缺陷原始焊肉——

在不损伤换热管的前提下，使用气动坡口机对已经定位的缺陷焊缝进行深度清理，全部清除焊缝焊肉：

首先选择平口刀片将缺陷角焊缝焊肉余高削平；更换单边弧形刀片将削平的角焊缝焊肉去除并在换热管与管板连接处形成单边弧形坡口，更换尖头刀片将残留在根部的焊肉完全清除；坡口深度a为4mm，坡口宽度b为3.5mm。

d)渗透检测——

pt渗透检测缺陷焊缝是否清理干净。如果没有清除干净，继续使用坡口机配合弧形刀片进行深度切铣，直到焊缝全部清除为止。

e)焊前消氢处理——

焊前消氢处理：升温速度200300℃/h，加热到350℃保温2小时，然后自然冷却，除去渗透到管板和换热管壁内的残留氢。

(2)冷焊实施

f)使用类激光高能脉冲精密冷补机对换热管与管板焊缝处进行冷焊焊接。调整冷补机焊枪钨极轴线与换热管轴线夹角，使其控制在20°，在坡口内，从打底层焊道开始堆积三层焊道，焊接修复过程中，控制焊层间温度不超过100℃。

工艺参数为：

打底层焊道：焊接电流170a，焊接时间0.5s，间隔时间0.3s，焊接速度10mm/min，氩气流量10l/min。

第二层焊道：焊接电流180a，焊接时间0.5s，间隔时间0.3s，焊接速度15mm/min，氩气流量10l/min。

第三层焊道：焊接电流190a，焊接时间0.6s，间隔时间0.3s，焊接速度20mm/min，氩气流量10l/min。

其中，氩气纯度99.99％，选用特制高纯度焊丝h08mn(hic)，规格为φ1.6mm进行焊接。

(3)焊后处理

g)冷焊后使用磨光机对冷焊表面进行修整打磨，使焊缝金属与母材连接处圆滑过渡，表面无飞溅。

h)对焊接后部位进行脱氢处理：升温速度300℃/h，加热到350℃保温2小时，然后以30℃/h冷却，除去渗透到管板和换热管壁内的残留氢。

i)先通过pt检测，对焊缝表面进行无损检测。检测合格再使用棒阳极射线管检测，通过底片对焊缝进行全方位检测。

具体地，焊接产品进行以下检验：

目视检测：焊缝表面光滑平整，焊层均匀致密，与基材连接处光滑平整；

pt渗透检测：无任何裂纹；

棒阳极射线检测：焊接接头内不存在裂纹、未熔合、未焊透和条形缺陷；

压力变化泄露检测：使用洁净水对换热器壳体加压，稳压过程中无泄漏，压力表未降压。

结果显示，本实施例制得的焊接产品达到上述检验标准，满足普光天然气净化厂联合装置涉硫单元换热器焊接质量要求。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上结合优选实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明。不过需要声明的是，这些具体实施方式仅是对本发明的阐述性解释，并不对本发明的保护范围构成任何限制。在不超出本发明精神和保护范围的情况下，可以对本发明技术内容及其实施方式进行各种改进、等价替换或修饰，这些均落入本发明的保护范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。