一种热交换器管子、管板连接接头焊接缺陷的现场处理

陈 权 李 雷 余祖爱

(武汉海王新能源工程技术有限公司)

下泄热交换器是核电站化学和容积控制系统中的重要组成部分，其主要功能是将下泄流的温度冷却到合适的工作温度，以便下游工艺设备对其进行过滤净化处理，该设备的安全状态和返修进度直接关系到整个电站能否如期投入商运。接头连接是下泄热交换器设计、制造中最关键的技术之一，也是事故率最高的部位。

某新建核电站系统冷试前，运行人员在进行役前检查时发现下泄热交换器管子、管板连接接头存在一处焊缝未填满的焊接缺陷。由于该类缺陷可能导致连接接头泄漏和设备功能失效，从而影响系统安全运行，现场急需制定一种合理的返修方案，确保设备质量安全可靠、保障项目进度又减小经济损失。

1 下泄热交换器结构

下泄热交换器属于核安全二级设备，为卧式U形管热交换器，由水室入口组件、水室出口组件、换热管、管板-拉杆-折流板组件、上部筒体组件、下部筒体组件、支承框架以及三角形支架组件等组成[1]。

管板连接形式如图1所示，管侧设计压力为4.9MPa，设计温度为204℃，材料为核级材料00Cr19Ni10；壳侧设计压力为1.2MPa，设计温度为93℃，材料为核级材料20HR-B。其流程布置为下泄流走管内，冷却水走管外，二者流向相反，因此下泄热交换器为逆流热交换器。

图1 传热管与管板的连接形式

热交换器的换热管与管板通常采用胀接、焊接或胀焊结合的连接形式。文献[2，3]表明，胀焊结合在接头处的抗拉强度和密封性能要明显优于单独胀接或焊接。文献[4]建议密封性能要求较高的场合宜采用胀焊结合的形式，胀焊结合接头既可采用先焊后胀，也可以采用先胀后焊，但文献[2，5]表明先焊后胀具有焊接出现气孔率小、焊缝应力平稳的优势。因此，下泄热交换器采用胀焊结合的连接方式，先采用铈钨极自动脉冲旋转氩弧焊进行焊接，然后进行全深度液压胀。

2 焊接缺陷及处理方法分析

焊接缺陷是热交换器管子与管板胀焊连接中常见和亟待解决的问题。下泄热交换器在水室入口处换热管与管板焊缝存在一处未填满现象，焊接缺陷位于水室(管侧)入口组件的管板上，焊缝未填满的形貌特征包括焊缝填充高度不够和表面有连续或断续的沟槽。

焊缝未焊满将削弱焊缝的承载能力，并容易产生应力集中。由于管板与换热管的连接处属于几何形状突变区，焊接缺陷将导致管板与换热管连接处可能存在较大的残余应力，设备运行期间，在流体的腐蚀和诱导振动的双重作用下，容易出现应力腐蚀开裂、缝隙腐蚀和振动疲劳破坏，它们之间的相互影响又将加剧连接处的破坏速度。

针对以上状况，处理的可选方案有两种：

a. 换热管双端堵管处理。由设备的传热性能计算知其堵管裕量在10%以上，可进行堵管处理。鉴于对焊缝内在质量的不确定性，通过对换热管两端堵管处理，避免了因焊缝内部潜在缺陷扩展而导致泄漏的可能。但在返修工艺的实施上，需要同时将水室入口组件和水室出口组件的筒体与法兰切割开，并对换热管两端与管板的连接处进行机加工处理，以便于与堵头的装配焊接。返修工作量大，工艺实施难度高，且所需的加工设备(如大型立式机床等)要求苛刻，堵管的实施又实际减弱了设备在传热设计方面的预留裕量，对保证其运行寿命期间的性能产生不利影响。

b. 对焊接缺陷处进行补焊。该方案的实施应首先对原焊缝的质量进行检验评定，确保其焊接质量良好、无泄漏通道，在此基础上将该连接接头焊满。采用氩弧焊的焊接工艺，其焊缝热影响区的范围一般在5.0～6.5mm[6]，远小于全深度液压胀所取的12.0～15.0mm不胀区的范围要求，因此，理论上补焊时产生的焊接热能量不会对胀管区的材料组织和性能造成不利影响。此外，先胀后焊影响连接接头胀接强度的主要原因在于焊接残余变形引起焊缝处换热管的收缩[7]，而采用补焊工艺时原有焊缝的存在不仅可以避免先胀后焊容易出现的收弧难的问题，同时也对焊接后换热管的收缩变形起到了良好的限制作用，减弱了焊接对胀接强度的影响。该返修工艺相对简单，仅需将水室入口组件的筒体与法兰切割开。

3 返修工艺与结果

通过上述对设备质量的影响分析，结合现场的施工条件和工艺实施可行性，最终采用补焊方案进行返修，制定的处理工艺流程为：拆除水室入口组件上的连接紧固件、密封垫片和法兰盖；采取合适的保护措施将水室入口组件和管子管板组件进行遮盖保护，用砂轮切割法兰与水室筒体间的焊缝；打磨法兰和水室筒体侧的坡口，并对坡口PT检验；对管子管板焊缝缺陷处进行清理，并进行氦检漏和PT检验，以确保原有焊缝表面质量且内部无贯穿性缺陷；PT检验合格后，采用经评定合格的焊接工艺进行补焊；对补焊焊缝进行焊后PT检验，并按照原设计要求进行氦检漏；将切割开的水室入口组件的筒体与法兰进行焊接，并按原设计要求进行100%PT检验和100%RT检验；局部酸洗钝化；按照原设计图纸要求对设备进行水压试验，试验合格后清洁处理。

在制定了详细的工艺方案和质量计划后，现场返修人员严格按照程序和质量要求对设备进行返修，设备经无损检测检验合格，并顺利通过了设备水压试验和系统联合调试试验。

4 结束语

针对下泄热交换器管子、管板胀焊工艺中焊缝未填满的焊接缺陷，提出了一种可保证设备性能、工艺可行、返修方便的工艺方案，设备现场返修后，检验、试验和系统调试均满足设计要求。

[1] 张世伟.化学和容积控制系统下泄热交换器抗震分析[J].原子能科学技术,2008, 42(z2): 431～433.

[2] 孙祥升.换热器管子与管板接头连接方法的试验研究[J].石油化工设备，1996，(6): 38～40.

[3] 蔡业彬,陈再良.换热器管子与管板胀焊接头制造工艺分析[J].机械开发, 2000, (1): 47～48.

[4] GB 151-1999，管壳式换热器[S].北京：国家质量技术监督局，1999.

[5] 毛国东.管壳式换热器胀焊并用时胀焊顺序探讨[J].化工装备技术,2005, 26(2): 45～46.

[6] 高广安.关于氩弧焊焊接热影响区宽度的实验研究[J].工业锅炉,1989, (4): 6～8.

[7] 王海峰,马凤丽,桑芝富.先胀后焊连接中焊接对胀接连接强度的影响[J].压力容器,2010,27(12): 13～ 20.