换热器的无损检测技术

换热器是压力容器最常见的形式之一,主要用于两种不同温度介质的热量交换,在石油、化工、制药、电力、制冷和城市供暖等行业得到广泛使用。换热器的结构形式主要分为有壳体式(管壳式换热器)和无壳体式(套管式换热器、波纹板式换热器、空冷式换热器和冷却排管等)两大类。由于无壳体式换热器的结构不像一个容器,而承载的介质体积较小,运行过程中危险性相对较低,因此我国颁布的《压力容器安全技术监察规程》没有将其纳入监察范围。在此重点介绍管壳式换热器及其无损检测技术。

管壳式换热器的主要形式为固定管板式、浮头式、U形管式(图1)和填料函式(图2)[1],换热器一般由前端管箱、中间壳体、内部管束和后端结构(头盖)组成。管箱和壳体一般为由封头、筒体和法兰组成的焊接结构;管束一般由管板、管子、拉杆、支撑板和折流板组装而成;换热管有直管和U形管两种;管板与换热管的连接有焊接和胀接两种形式。根据介质的流动通道,换热器分管程和壳程两部分。以下根据换热器制造和使用的特点,综述在不同阶段采用的各种无损检测技术的特点。

1　换热器制造过程中的无损检测技术

管壳式换热器根据GB 151—1999《管壳式换热器》制造,但壳体的制造和检验要求在许多方面还需满足GB 150—1998《钢制压力容器》的规定。换热器在制造过程中采用的无损检测方法主要为射线、超声、磁粉、渗透和涡流检测,采用的无损检测标准为JB 4730—1994《压力容器无损检测》。

1.1　原材料的无损检测

1.1.1　圆筒、封头、管板和平盖用钢板

换热器的圆筒及封头采用碳素钢和低合金钢钢板,在特定条件下应逐张进行超声检测,检测方法和质量标准按JB 4730规定进行,检测的主要目的是发现板材在冶炼和轧制过程中产生的白点、裂纹和分层等缺陷。需要逐张进行超声检测的钢板参数为①厚度≥30 mm的20R和16MnR钢板,质量等级应不低于Ⅲ级。②厚度≥25 mm的15MnVR,15MnVNR, 18MnMoNbR, 13MnNIMoNbR和Cr2Mo钢板,质量等级应不低于Ⅲ级。③厚度≥20 mm的16MnDR,15MnNiDR,09Mn2VDR和09MnNiDR钢板,质量等级应不低于Ⅲ级。④调质状态供货的钢板,质量等级应不低于Ⅱ级。

钢板超声检测选用纵波直探头,6~20 mm厚的钢板需选用晶片面积≮150 mm2的5 MHz双晶直探头,检测用试块为台阶标准试块;20~250 mm厚的钢板需选用直径为?14~25 mm的圆晶片,或面积≮200 mm2的方晶片的2.5 MHz单晶直探头;检测用试块为

5 mm平底孔标准试块。

1.1.2　管板、平盖和法兰用锻件

管板、平盖和大型筒体法兰是换热器中有别于其它压力容器的常用零部件,GB 151标准规定管板、平盖和法兰用的钢锻件应符合JB 4726《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》和JB 4728《压力容器用不锈钢锻件》的规定,且超声检测II级以上合格。

1.1.3　换热管

换热管的使用是换热器区别于其它压力容器最明显的特征,换热管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。检测换热管质量的最有效的方法为涡流检测,其主要目的是发现钢管上可能存在的通孔和表面裂纹等缺陷。根据换热管的磁特性需采用不同检测技术。

1.1.3.1　铁磁性换热管的涡流检测

对钢管进行涡流检测发现通孔缺陷的方法通常采用穿过式线圈的探头,检测表面裂纹的方法通常采用扁平放置式线圈的探头。另外,由于钢管具有铁磁性,在不同的磁场强度作用下具有不同的磁导率,因此,对铁磁性钢管进行的检测必须具有磁饱和装置,并对检测线圈所检测的区域施加足够强的磁场,使其磁导率趋于常数。铁磁性钢管涡流检测的频率一般在1~500 kHz。

进行涡流检测时,必需用对比试样来调节涡流仪的检测灵敏度、确定验收水平和保证检测结果的准确性。对比试样应与被检对象具有相同或相近规格、牌号、热处理状态、表面状态和电磁性能,大多数标准规定对比试样上的人工缺陷为通孔或刻槽。

1.1.3.2　非铁磁性换热管的涡流检测

非铁磁性金属管主要包括奥氏体不锈钢无缝钢管、铜及铜合金无缝管、铝及铝合金无缝管、钛及钛合金无缝管,这些管材的外径一般≯

50 mm,管材的壁厚≯5 mm。对新制管材进行涡流检测的主要目的是发现钢管上可能存在的通孔缺陷,采用的方法为外穿过式线圈。与铁磁性金属管相比,非铁磁性金属管的涡流检测不需要磁饱和装置,但对铜镍合金管材,有时也使用磁饱和装置,使被检区域达到磁饱和后再进行检测。非铁磁性金属管涡流检测的频率一般在1~125 kHz。

检测时,线圈的内径应与被检管材外径相匹配,其填充系数≮0.6。按规定的验收水平调整灵敏度时,信噪比≮10 dB,人工缺陷响应信号的幅度应在仪器满屏幕的30%~50%,中间三个通孔的显示幅度应基本一致,选取最低幅度作为检测设备的触发2报警电平。对比试样和检测线圈之间的相对移动速度应与工作状态下被检管材与检测线圈之间的相对移动速度相同。

1.2　对接焊缝的射线和超声检测

换热器壳体的对接焊缝容易出现气孔、夹渣、未熔合、未焊透和裂纹等焊接缺陷,通常对焊缝内部的缺陷采用射线或超声检测,对焊缝的表面缺陷采用磁粉或渗透检测。

GB 150标准规定,凡符合下列条件之一的对接接头,应按图样规定的检测方法进行100%的射线或超声检测,即①钢材厚度δs>30 mm的碳素钢和16MnR。②δs> 25 mm的15MnVR, 15MnV,20MnMo和奥氏体不锈钢。③标准抗拉强度下限值σb>540 MPa的钢材。④钢材厚度δs>16 mm的12CrMo,15CrMoR和15CrMo;其它任意厚度的Cr2Mo低合金钢。⑤进行气压试验的换热器。

对于进行100%射线或超声检测的焊接接头,是否采用超声或射线检测进行相互复检,以及复检的长度,由设计者在图样上予以规定。

上述规定以外的焊接接头,允许作局部射线或超声检测。具体检测方法按图样规定。电火花检测仪 http://www.dianhuohuajianceyi.com  检测长度不得少于各条焊接接头长度的20%,而且以下部位必需全部进行检测,即①焊缝的交叉部位。②先拼版后成凸形封头上的所有拼接接头。③凡被补强圈、支柱、垫板和内件等所覆盖的焊接接头。④以开孔中心为圆心,1.5倍开孔直径为半径的圆内所包容的焊接接头。⑤嵌入式接管与球壳连接的对接接头。⑥公称直径≮

250 mm的接管与长颈法兰、接管与接管对接的焊接接头。

按JB 4730标准检测,射线照相的质量要求应不低于AB级,对100%检测的对接接头,检测结果不低于Ⅱ级为合格;对局部检测的对接接头,检测结果不低于Ⅲ级为合格。对于100%超声检测的对接接头,Ⅰ级为合格;局部检测的对接接头,不低于Ⅱ级为合格。

射线检测设备包括X和γ射线探伤机。一般X射线探伤机适用于厚度<50 mm的钢板,75Seγ源检测厚度为10~40 mm,192Irγ源检测厚度为20~100 mm,60Coγ源检测厚度为40~200 mm。

超声法适用于母材厚度>8 mm全焊透熔化焊对接焊缝内部缺陷的检测。采用的仪器为A型脉冲反射式超声波探伤仪,仪器的工作频率为1~5 MHz。采用频率为2~5 MHz的K值探头,利用一次反射法在焊缝的单面双侧对整个焊接接头进行检测。当母材厚度>46 mm时,采用双面双侧的直射波检测。对于要求比较高的焊缝,根据实际需要也可将焊缝余高磨平,直接在焊缝上进行检测。检测区域的宽度应是焊缝本身加上焊缝两侧各相当于母材厚度30%的部分,而且最小应为10 mm。

1.3　磁粉与渗透检测

GB 150标准规定,符合下列条件的部位应按图纸规定的方法进行表面检测,即①标准抗拉强度下限值σb>540 MPa的钢材的角焊缝。②各种Cr2Mo钢的角焊缝。③堆焊层表面。④复合钢板的复合层焊接接头。⑤σb>540 MPa的钢材及Cr2Mo低合金钢材经火焰切割的坡口表面,以及用这些材料制造换热器的缺陷修磨或补焊处的表面,卡具和拉筋拆除处的焊迹表面。⑥凡进行100%射线或超声检测的球罐上公称直径<

250 mm的接管与长颈法兰、接管与接管对接接头表面。

另外,焊接的管板和换热管几乎均采用表面渗透进行检测。磁粉或渗透检测前应打磨受检表面至露出金属光泽,并应使焊缝与母材平滑过渡。检测按JB4730标准进行,检测结果I级合格。

2　在用换热器无损检测

为了确保压力容器运行的安全,需对投入运行的压力容器定期检验。我国政府有关规程规定[2,3],压力容器在用检验分为不停止运行的外部检验和停止运行后的内外部全面检验,外部检验的周期为1 a(年),内外部全面检验的周期最长为6 a。在用换热器的年度外部检验内容包括使用单位压力容器安全管理情况检查、换热器本体及运行状况检查和安全附件检查等。检查方法以宏观检查为主,必要时进行测厚和腐蚀介质含量测定;如壳体焊缝内已存在超标缺陷,可采用声发射监测的方法来识别这些缺陷是否为活性;如需确定某些高应力集中部位是否存在疲劳损伤,可采用磁记忆检测方法;如需检查球罐外表面是否有疲劳裂纹或应力腐蚀裂纹产生,可采用表面裂纹电磁检测的方法。

对新投入使用的换热器,首次内外部检验周期一般为3 a,以后的内外部全面检验周期一般为6 a,但对安全状况等级为1级或2级的换热器,在实测介质对材料腐蚀速率每年<0.1 mm或者内部有热喷涂金属(铝粉或不锈钢粉)涂层,并通过1~2次全面检验确认腐蚀轻微者,开罐全面检验周期最长可以延长至12 a。换热器的内外部全面检验的重点是在运行过程壳体和换热管受介质、载荷、温度和环境等因素影响而产生的腐蚀、冲蚀、磨损、应力腐蚀开裂、疲劳开裂、材料劣化等缺陷,因此除宏观检查外对壳体所采用的无损检测方法主要包括磁粉、渗透、超声和射线检测,对换热管主要采用涡流检测,管板采用渗透检测。由于换热器的检测在其安装使用的现场进行,受检测条件的限制,因此采用的无损检测方法为适用于现场应用的技术,采用的无损检测仪器均为适用于现场检测的便携式仪器。

2.1　表面检测

表面检测方法是在换热器停产全面检验中首选的无损检测方法。检测部位为换热器壳体的对接焊缝及角焊缝的焊迹表面和换热器管板上与换热管焊接的角焊缝等。铁磁性材料对接焊缝的表面检测一般采用磁粉检测,角焊缝无法采用磁粉检测时也采用渗透检测;非铁磁性材料采用渗透检测。

根据多年的检验经验统计,换热器容易出现表面裂纹的部位主要为管板与壳体的焊缝、壳体大法兰的环焊缝、进出料法兰的接管角焊缝、管板角焊缝和易出现热疲劳的部位等。

2.2　壳体焊缝表面裂纹的电磁涡流检测

焊缝表面裂纹的磁粉或渗透检测都需将被检焊缝表面事先清洁,除去表面防腐层或污垢,无损检测资源网 因此不适合换热器的在线检测。另外,换热器开罐100%焊缝内外表面检测发现,80%以上的换热器无任何表面裂纹,即使发现表面裂纹的换热器,一般也是只存在几处,不到焊缝总长的1%,因此大量的打磨一方面增加了换热器停产检验的时间和费用,另一方面也减小了换热器焊缝部位壳体的壁厚。

采用涡流技术可以在不去除表面涂层的情况下探测金属材料的表面裂纹,然而,常规涡流方法只适用来检测表面光滑母材上的裂纹,对焊缝上的裂纹会因焊缝在高温熔融时产生的铁磁性变化和焊缝表面高低不平而出现杂乱无序的磁干扰而无法实施。针对该问题研究出的基于复平面分析的金属材料焊缝电磁涡流检测技术,可在有防腐层的情况下采用特殊的点式探头对焊缝表面进行快速扫描检测,而且提离效应对检测结果的影响很小[4~7]。

基于复平面分析的电磁涡流表面裂纹检测仪采用电流扰动磁敏探头技术来检测焊缝的表面裂纹,此方法允许焊缝表面较为粗糙或带有一定厚度的防腐层,因此可对换热器壳体在运行过程中进行焊缝外表面裂纹的快速检测;也可以在换热器停产进行全面检验时,先采用该方法对焊缝进行快速检测,然后对可疑部位进行磁粉或渗透检测复验,以确定表面裂纹的具体部位和大小。目前市场上销售的仪器可在涂层厚度<0.2 mm时检出0.5 mm(深)×5 mm(长)的表面裂纹;在涂层厚度为2 mm时可检出1 mm(深)×5 mm(长)的表面裂纹;并可对<5 mm深的裂纹进行深度测定。

2.3　壳体焊缝的超声检测

在用换热器的内外部全面检验由于壳体内部存在管束,因此一般采用超声检测方法从外部对对接焊缝进行抽查或100%检测,以发现焊缝内部和内表面可能出现的疲劳裂纹或已存在的焊接埋藏缺陷。但超声检测一般只能发现>1 mm(深)×5 mm(长)的内表面裂纹。由于超声波探伤仪体积小、重量轻,十分便于携带和操作,而且与射线相比对人体无伤害,因此在在用压力容器检验中得到广泛使用。

许多情况下对发现的超标缺陷采取缺陷安全评定的方法予以保留,而安全评定需要知道缺陷的长度和自身高度。超声检测方法的特点是可以较精确测量出焊缝内缺陷的长度和自身高度,为缺陷的安全评定提供几何尺寸数据。新修订的JB 4730标准规定超声检测缺陷自身高度测量方法有缺陷端点衍射波法、端部最大回波法和6dB法等,但目前使用测量精度最高的方法是缺陷端点衍射波法,精度可达0.5~1 mm。另外,国外超声检测衍射声时法(TOFD)、相控阵法和全息成像法已得到推广应用,这些方法可得到内部缺陷更直观和更精确的数据,目前国内也已启动这些方法的研究和应用工作,因此将来它们在球罐的定期检测中必将发挥重要作用。

2.4　壳体焊缝的射线检测

对于在用换热器的内外部全面检验,射线方法主要在现场用于<12 mm板厚的换热器壳体对接焊缝内部埋藏缺陷的检测。另外,对于超声检测发现的超标缺陷,通常采用射线检测复验,以进一步确定这些缺陷的性质和部位,为缺陷返修提供依据。

2.5　壳体焊缝的磁记忆检测

金属磁记忆检测技术是俄罗斯杜波夫教授于20世纪90年代初提出,并于90年代后期发展起来的一种检测材料应力集中和疲劳损伤的新的无损检测与诊断方法。该方法可以发现材料受力后引起的疲劳损伤,及其产生的裂纹缺陷;但目前人们对磁记忆现象的机理了解还不十分清楚,一般与其它无损检测方法配合使用,以防缺陷的漏检。

与电磁涡流检测方法一样,进行磁记忆检测无需对焊缝的表面进行打磨处理,可在带油漆层的情况下直接进行快速扫查检测,因此这种方法也特别适合于对换热器进行的在线检测。与电磁涡流检测方法不同的是,磁记忆检测方法发现的是换热器壳体上存在的容易产生应力腐蚀开裂和疲劳损伤的高应力集中部位。对换热器进行检测时,通常采用磁记忆检测仪器对换热器壳体焊缝进行快速扫查,以发现换热器壳体焊缝上存在的应力峰值部位,然后对这些应力峰值部位进行局部表面磁粉和内部超声检测,以发现可能存在的表面或内部缺陷。

2.6　在用换热器铁磁性钢管的远场涡流检测

与新制造钢管采用的涡流检测方法不同,在用换热器管的涡流检测只能采用内穿过式探头,由于钢管的口径较小,内穿过式探头采用磁饱和装置非常困难,因此对于在用换热器铁磁性钢管通常采用远场涡流检测方法。远场涡流检测的特点是仪器采用10 Hz~5 kHz的低频激发,探头内分别设置远场涡流激励线圈和检测线圈,而且激励线圈与检测线圈的间距为被检管子内径的2~3倍。与新制造管材的涡流检测相比,远场涡流检测对涡流探伤仪有更高的要求,至少具备如下功能,即①可采用电压平面显示方式,实时给出缺陷的相位、幅值等特征信息,可将干扰信号与缺陷信号调整在易于观察及设置报警域的相位上。②可采用自动平衡技术。③频率为10 Hz~5 kHz,具有良好的低频检测特性。④应至少具备两个独立可选频率和四个非分时的检测通道。⑤具备存储及分析等功能。检验前,首先对在役铁磁性钢管内表面进行清洗,使之满足检测要求。使用远场涡流检测对比试样,调整工作频率和其它工作参数,使电磁场能较好地穿透管壁,并使仪器的连续平衡速率或滤波参数适应探头的移动速度,最终使系统达到要求的灵敏度;对钢管进行检测时,尽可能使探头速度恒定平稳,探头在管内的检测速度视所用仪器和选择的参数而定,一般≯10 m/min;检测过程中,将从远场涡流检测对比试样管获得的数据作为仪器缺陷检测能力的衡量标准,判断被检管是否存在缺陷。

2.7　在用换热器非铁磁性金属管的涡流检测

在用换热器非铁磁性金属管的涡流检测只能采用内穿过式探头。与新制造管材检测的目的不同,在用设备检测的目的是发现换热管在使用过程中可能产生的壁厚均匀腐蚀减薄、局部腐蚀坑、与管子支撑板接触部位的磨损和裂纹等缺陷,因此对检测仪器功能有较高的要求,对比试样也是针对这些缺陷的检测而设计的。

涡流探伤仪除具有一般仪器常有的功能外,还应具备如下功能,即①应至少有两个独立可选频率,频率为1 kHz~1 MHz。②仪器需具备差动和绝对通道的检测能力,能够检测出管子壁厚均匀减薄、裂纹、腐蚀坑和磨损等缺陷。③仪器应具有相位调节、滤波和混频处理等单元,并有相应的报警设置、阻抗平面显示以及可靠的记录装置。④内穿过式探头与涡流探伤仪组合,能有效消除管板、支撑板和噪声等干扰因素影响。

检验前,首先对在役非铁磁性管内表面进行清洗,使之满足检测要求。使用检测对比试样,调整工作频率和其它工作参数,最终使系统达到所需灵敏度。对管子进行检测过程中,应尽可能使探头速度恒定平稳,探头在管内的检测速度视所用仪器和选择的参数而定,一般≯20 m/min;检测过程中,将从检测对比试样管获得的数据作为仪器缺陷检测能力的衡量标准,判断被检管是否存在缺陷。

3　结论

无损检测在换热器的制造和使用过程中,对保证其质量和安全运行扮演极其重要的角色。对于原材料,钢板以超声检测方法为主,换热管采用涡流检测方法;对于制造过程,换热器壳体的对接焊缝以射线或超声检测方法为主,管板与换热管连接的焊缝以渗透检测为主;对于在用过程的定期检验,换热器壳体以表面和超声检测为主,铁磁性换热管采用内穿过式探头远场涡流检测方法,非铁磁性换热管采用内穿过式探头常规涡流检测方法。另外,电磁涡流检测和磁记忆检测等新技术在在线检测方面已经得到应用。可以预计,随着无损检测技术的发展,必将有检测速度更快、灵敏度和可靠性更高、缺陷显示更直观的新方法在换热器的检测中得到应用。