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换热器管子与管板的焊接与检验的国外工程标准简介(一)


          标 准 规 范

换热器管子与管板的焊接与检验的 国外工程标准简介 ( 一)
21 合肥通用机械研究院 , 安徽 合肥   230031 ; 31 巴斯夫有限公司 , 上海   201507) DONG Jia - xiang1 ,L I Pin - jin2 , QIAO Wei - qi3 , SHI Yi - long3 ,

HE Yi - hua 3

摘   :以南京巴斯夫项目 ( IPS) 和漕泾巴斯夫项目 ( IIP) 在设计 , 制造 , 检验数百台换热器经验的基 要

础上 , 介绍德国巴斯夫公司换热器的管与管板焊接 、 检验与验收规范 ( WN75 - 100 标准) , 该规范在 换热器的级别分类 、 管与管板的工艺评定试验与检验 、 焊工及焊接操作工技能评定 、 管与管板的检 验与试验等方面的详细要求 。 关键词 :管子与管板 ; 焊接与检验 ; 工程标准
中图分类号 : TQ44    文献标识码 :A    文章编号 :1001 - 4837 ( 2005) 10 - 0006 - 04

The Offshore Engineering Specification Introduction for Tube to Tubesheet Welding and Examination of Heat Exchanger( 1)
(11 Fluor Engineering Co. , Shanghai 200052 , China ; 21 Hefei General Machinery Research Institute , Hefei 230031 ,China ;3. BASF Company ,Shanghai 201507 ,China) joints. Key words :tube to tubesheet ;welding and examination ;engineering specification

Abstract :Based on the experience of several hundreds heat exchangers at design , fabrication , inspection and examination at Nanjing IPS and Shanghai Caojing IIP projects , introduced the specification ( WN75 - 100) of

1  前言

管子与管板的焊接在换热器的设计 、 制造与检 验中至关重要 , 而现行的标准 、 规范中对管子与管板 的焊接工艺评定 、 、 焊接 检验等没有行之有效的措施 或规定 。管与管板的焊缝为未焊透结构 , 其特殊性 与检验手段的限制 , 致使出现对设备运行有潜在危 害的焊接缺陷及假焊 。待设备运行一段时间后 , 不
?6 ?

BASF and Bayer for tube to tubesheet welding , inspection and acceptance criteria. Introduced the specifica2 tion’ detail requirements for the heat exchangers classification , tube to tubesheet mock up test and examina2 s

tion , welder and welder operator performance qualification , the inspection and test for tube to tubesheet weld

董家祥1 ; 李平瑾2 ; 乔伟奇3 ; 石意龙3 ; 何亦华3 ( 11 福陆丹尼尔有限工程公司 , 上海   200052 ;

可避免地产生泄漏 。

为解决这一难题 , 20 世纪 80 年代实施尿素设 备国产化时 , 引进并制订了尿素设备管子与管板焊 接工艺评定的部颁标准 , 但因其程序复杂性及局限 性 , 推广应用受到限制 。近年来 , 由于德国巴斯夫 、 拜耳等公司在国内的投资 , 引进并采用了关于管板 的射线探伤技术以及巴斯夫公司的 WN75 - 100 管 与管板焊接标准 , 且在国内 10 多个制造厂推广应

第 22 卷第 10 期                                            压 力 容 器 总第 155 期

用 , 取得了可喜的成果 。 管与管板的 WN75 - 100 标准 , 是德国巴斯夫公 司自 20 世纪 70 年代末逐步发展至今的由设计 、 评 定、 焊接至检验与验收的完整规范 , 并在世界各地 的石油化工项目中成功运用 。致使由管与管板泄漏 造成的换热器事故率由 1976 年起的 13 % 降至 2000 年的 1 % , 取得较好的安全及经济效益 , 见图 1 。

求、 设计和实施总则 、 管与管板的设计与焊接 、 管与 管板的工艺评定 、 焊缝的外观检验 、 渗漏检验 、 无损 检验的方法 、 工艺及验收标准等 。本文基于参与南 京扬巴项目 , 上海漕泾巴斯夫两项目近数百台换热 器的设计 、 制造与检验的经验与体会 , 对上述标准进 行详叙 , 以期对国内的换热器制造 、 管子与管板焊接 与检验提供借鉴 。
2  换热器的分类及对管与管板焊接的检验要求 211   换热器的分类原则
检验要求
S2 + VT ,LT ,FK

管与管板焊接时质量要求高 , 无焊接缺陷是基 本要求 。但确定对管与管板的检验内容是基于换热 器的类别分类 , 依据不同工作状态的换热器 。表 1 中将分为三类的各类换热器的管与管板焊接检验内 容列出 。其分类原则是 : ( 1) 假定管与管板焊接产生

图1  采用 WN75 - 100 标准前后换热器管与管板 事故率统计情况

WN75 - 100 共有八章 , 详细阐述了材料 、 基本要
应力载荷状态 接头 分类
A B C D

表1  换热器依据对管与管板假定泄漏时产生的影响而确定的换热器类别等级

换热器工作时 所受应力状态 静态应力

工作温度 和不同压力 ≤ bar 和 10 ≤ 200 ℃

不影响 Ⅰ 类
E + VT ,LT 或 S1 + VT ,LT

假定工作时产生泄漏的影响 在一定期间影响不大 影响极大 Ⅱ 类 Ⅲ 类 S2 + VT , LT S2 + VT ,RT ,LT ,MT/ PT ,FK

由压力/ 温度产生 所有不同压力 的交变应力 由应力产生的震动 所有不同温度

S1 + VT ,LT

“记忆” 而失效 ;

   : S 1  t = 110~114 mm 不少一层焊道 。t ≥ 15 mm ,不少两层焊道 ; S 2  t ≥ 15 mm , 不少两层焊道 ; S 3  t ≥ 10 mm , 不少两层焊道 。S 2 A 注 1 1 2  S 2 换热管增加胀管 ( A) , S 3 A  S 3换热管增加胀管 ( A) , E : 机械胀管或液压胀管 ,VT: 外观检验 ,RT: 射线检验 ,LT: 气体渗透检验 ,MT/ PT: 表面 磁粉/ 着色检验 ,MT: 表面磁粉 ,PT: 着色检验 ,FK: 制造期间检验 。

   根据表 1 的分类 , 确定不同类别换热器的管与

管板焊接后的检验与试验的要求 。同时 , 附加以下 要求 :
( 1) 当制造厂第一次采用本标准设计与制造换

热器时 , 应对第一台换热器的管与管板的焊缝进行 的要求 ;

射线检验 , 不论换热器是何种类别或图样与数据单
( 2) 当管周围有腐蚀及应力腐蚀倾向时 , 不推荐

采用机械或其它方式胀管 ; 钛管换热器不在此列 , 相 反 , 钛管则要求先贴胀后固定后焊接 。实践证明 , 即 使胀接后经一段时间的运行 , 这一胀接也由于钛的
( 3) 换热管的管壁厚则为管与管板的最小穿透

S2A + VT ,LT1MT/ PT ,FK 或 S3 + VT , LT ,MT/ PT ,FK

泄漏时的后果 ; ( 2) 工艺因素的影响 , 即对管与管板 产生应力因素 。 212   管与管板的基本检验要求
S3 + VT ,RT ,LT , MT/ PT ,FK S3 + VT ,RT , LT ,MT/ PT ,FK S3A + VT , RT , LT , MT/ PT ,FK

焊缝半径 , 焊喉尺寸 ( r) ; ( 4) 当管程作防腐处理时 , 管与管板的焊缝应作 射线无损检验 。    由图 2 所示 , 管与管板的最小穿透焊缝半径即 以管与管板的焊根为圆心 , 以管壁厚为半径画圆 , 在此圆内所有的焊缝厚度 , 即焊喉尺寸应等于管壁 厚 , 这是管与管板焊接时的基本原则 。当焊缝厚度 大于管壁厚时 , 并没有多大的意义 , 这是因为管壁厚 的选择即决定了换热器的寿命 。焊喉尺寸的增加则

无助于换热器寿命的提高 。 213   材料 管与管板材料分为碳钢 、 不锈钢 , 其他材料 300 必须单独进行焊接工艺评定 。
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   综上所述 , 将换热器划分为三个等级 ( Ⅰ 、 级 Ⅱ 级 、 级) 。对各等级的换热器 , 在是否进行工艺评 Ⅲ

定、 管与管板的试验和检验方式方法有不同的要求 。
3  管与管板的接头形式与坡口

为满足不同类型换热器对管与管板焊接的要 求 , 表 2 中列出五种类型接头和坡口 , 以供设计者选 择。

CPVT            换热器管子与管板的焊接与检验的国外工程标准简介 ( 一)           Vol221No10 2005

当管头伸出高度为 - 1 mm 时 , 管与管板的手工焊 接、 机械焊接的操作性最佳 , 焊缝中的缺陷出现率降 为最低 , 因而此坡口和焊接接头得到广泛的应用 。

4  管与管板的焊接工艺评定试验与检验

图2  管与管板焊接时的最小穿透焊缝 , 焊喉尺寸 ( r)

   如何进行管与管板的焊接工艺评定 , 在 TEMA 和G B151 中均有规定 , 但与 ASME 和 G 4708 相比 B 相差 甚 远 , 从 而 使 其 失 去 指 导 法 规 的 基 本 作 用 。 WN75 - 100 标准中 , 制订一套完整的如何进行管与 管板焊接工艺评定的工艺及方式和方法 。 管与管板的焊接工艺评定试板制备应与换热器 管板的管子实际分布一致 , 即分为三角形与矩形分 布两种形式 。管子的数量在 10 ~ 12 根之间 。管板 的厚度应在 15 ~ 40 mm 之间 。试管的长度在 100
mm 左右 。具体的要求见图 3 和表 3 。

   由表 2 可见 , 当管子的伸出高度小于或等于 2
mm 时 , 管与管板的焊缝可进行射线探伤 。但当其

伸出高度大于 3 mm , 管与管板的射线探伤受到限 制 。因此 , 该标准不推荐这种接头形式 。实践表明 ,
?8 ?

411   焊接工艺评定试板的制备
( a) ( b)

图3  管与管板焊接工艺评定的试样示意图及尺寸

   3 中依据换热器主要部件实际尺寸 , 加之焊 表 接工艺的不同所确定的管与管板焊接工艺评定试样 的尺寸要求 。规定管板试样的厚度上限为 35 mm ;

但另一种看法是 19 mm 已足够 , 笔者同意这种意见 , 并希望在版本修改中对此作修订 。 412   管与管板的焊接工艺

第 22 卷第 10 期                                            压 力 容 器 总第 155 期 表3  管与管板焊接工艺评定的试样尺寸要求及评定范围 评定试样中所用的尺寸 换热器的实际 ( mm) 管板 尺寸 ( mm) 手工焊接 机械焊接 016 t b~2 t b < 35 管板厚度 tb ≥ 35 ≥ 35 da ~2 da da < 25 换热管外径 da ≥ 18 da 0 ≥ 25 换热管壁厚 t 管间距 T
<3

由于管与管板焊接的特殊性 , 很难制订另一标 准对焊工进行技能评定 。为此 , WN75 - 100 标准中 将工艺评定与焊工的技能评定结合在一起 , 具体的 执行方法是 : 管与管板的焊接工艺评定的同时 , 同一试板也 可以进行焊工技能评定 ; 每一参与技能评定的焊工 , 至少应焊接两个管 接头 , 每一焊工的标记应清楚地标注在试验和记录 报告中 ; 工艺评定应检验的所有项目 , 应为每一参与焊 工技能评定的所有焊接头逐一进行检验 , 有任何一 项检验不合格 , 则认为该焊工评定失败 ; 当焊接工艺为机械焊时 , 任一焊接操作工评定 失败则认为该管与管板的工艺评定失败 ; 焊接工艺评定报告中不仅应注明所评定的工艺 是否合格 , 还应注明该工艺评定是由哪几名焊工或 焊接操作工执行并评定合格的 。 416   焊接工艺评定试板的检验项目 焊 接 工 艺 评 定 试 板 的 检 验 与 ASME Ⅸ和 G B4708 相仿 , 其检验项目如下 :
( 1) 外观检验
缺陷判定合格标准 不合格 不合格 不合格 — — — — — — 深度应小于 ≤ 11 mm 管壁厚 0 不合格 不合格 不合格 不合格 对 da ≤ mm , x ≤ 15 mm 25 0 对 da > 25 mm , x ≤ mm 1 不合格 不合格

≥ 3

全部

   :复合板的管板 , 复层厚度应等于或厚于试样复层的厚度 。 注

   管与管板的焊接工艺 , 常用并推荐的为钨极气 体保护焊 ( GTAW) , 用手工焊或机械焊均可 。有的 情况下手工电弧焊尚可接受 , 其它焊接工艺方法不 推荐和不批准来焊接管与管板 。
413   焊接位置
序号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

管与管板的焊接推荐位置为立向上焊接 , 立向 下工艺方法被禁止 。对有些制造厂 , 有的设备平焊 位置也可以接受 。 414   焊接技术 焊接坡口及试管与管板的组对尺寸与定位 、 焊 接层道的安排施焊 ; 焊接填充金属的选择 、 保护气体 的选择及辅助保护气体的保护措施等 。 415   焊工技能评定和焊接操作工的评定
缺陷名称 裂纹 表面气孔焊缝内固体 夹延伸至焊缝表面 管壁熔透
2017 600 600

焊缝余高与内瘤启弧缺陷 管端熔化 ( 角焊缝)

咬肉 弧伤 飞溅 减薄贯壁厚 打磨痕迹 铲除痕迹 低于管壁表面

焊道布置不合理

018 t~112 t
t ~2 t

≥T

表4  管与管板焊缝外观检验合格判定标准 DIN EN ISO 52 - 1 缺陷外形 参考号码 100 所有裂纹的表现

600

600 501 601 602 604 605 606 600



019 t~111 t

焊后焊缝应立即进行 100 % 的外观检验 , 外观 检验的要求 ( 见表 4) 。主要有 :

仅适用于当管壁厚 t > 216 mm 管深出长度 x ≥ mm 6 仅适用于当管壁厚 t > 216 mm 管深出长度 x ≥ mm 6 第二层焊道未完全 覆盖第一层焊道

( 下转第 43 页)
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第 22 卷第 10 期                                            压 力 容 器 总第 155 期
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形 ; 焊缝金属的余高在 013~015 mm 为佳 ,焊缝管内 焊瘤高度应小于 015 mm ( 见表 4) 。焊缝应无任何焊 接缺陷 , 如气孔 、 夹渣 、 氧化 、 裂纹等 ; 第二道焊缝应

全覆盖第一道焊道 。 对钛 、 锆等有色金属应检查焊道及热影响区的 颜色 ,银白色 、 浅黄色为合格 。蓝色 、 灰色为不合格 。   ( 2) 表面检验

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收稿日期 :2005 - 05 - 16    修稿日期 :2005 - 05 - 28

作者简介 : 郑贤斌 ( 1978 - ) , 男 , 博士 , 主要从事油气管道 安全运行保障技术研究 , 通讯地址 : 中国石油大学机电工程 学院 。

(上接第 9 页 ) 焊缝外观平滑 、 整洁 、 无不规则的外

zation of Gas Pipeline Inspection Signals Using Wavelet Ba2

sis Function Neural Networks [J ] . NDT&E Intern Ational ,

外观检验合格后 ,试样应进行 MT ( 碳钢) 、 ( 不 PT ( 待续) 锈钢及其它有色金属) 。
收稿日期 :2005 - 07 - 12

作者简介 : 董家祥 ( 1949 - ) ,1979 年毕业于沈阳机电学院焊

接专业 ,毕业后一直从事焊接试验研究 、 工艺评定 、 容器制 设。

造、 海洋石油开采 、 炼化 、 石油化工等国际大型项目的施工建

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