蒸发器定期检验研究

近年来，管式降膜蒸发器因其传热效率高、耐压高、不易破裂、使用寿命长等优点，在造纸厂碱回收系统制浆黑液蒸发站中得到了广泛应用。据不完全统计，全国已有十几套黑液管式降膜蒸发器在生产运行，其中4套为进口，其余均为国产。根据蒸发器的设计工艺参数和结构，要求壳程承受一定温度(＜150℃)和压力(＜0.49MPa)的低压蒸汽，管程承受制浆黑液的碱性及硫化物等的腐蚀，同属于Ⅰ类压力容器，属于《特种设备安全监察条例》和TSGR0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》(以下简称《固容规》)监察管理的范畴，其设计、制造、安装、使用等环节均应接受国家相关标准规范的监督检查，并且在役蒸发器必须按TSGR7001—2004《压力容器定期检验规则》(以下简称《定检规》)的要求进行定期检验工作。

1管式降膜蒸发器的工作原理

管式降膜蒸发器结构较简单［1-2］，由加热蒸发室、分配盘、气液分离室、除雾器、循环管等部分构成，其结构及工作原理如图1所示。加热蒸发室相当于一台立式管壳式换热器，主要是由壳体、封头、上管板、支撑板、下管板和加热管等构成。壳体是根据工作压力按压力容器或常压容器设计，并考虑到在真空状态下受外压时的稳定性，合理设置加强结构。壳体、加热管和管板的材质可根据介质性质或用户使用要求，选用碳钢或不锈钢。加热蒸发室中心为一根内置循环管，其余部分为均匀分布的加热管。工艺过程:加热蒸汽走壳程，二次蒸汽及黑液走管程。黑液经循环泵通过内置循环管预热并输送至上管箱内的分配盘上，由分配盘均匀地分布在管板的管桥上，再沿加热管内壁呈膜状流下，同时进行传热蒸发，属于半强制循环重力自然降膜蒸发过程。

2在役黑液管式降膜蒸发器开展定期检验的影响因素

2.1管壳式结构对检验的影响

管式降膜蒸发器加热室管壳式的结构特征决定了检验部位和检测方法的选择。从图1可以看出，管式降膜蒸发器的加热室属于壳程，蒸发器顶部的黑液分配盘、加热管以及底部的气液分离室构成了蒸发器的管程。对于蒸发器的壳程只能进行外表面检验，壳体焊接接头中的埋藏缺陷检验只能选择射线或超声波探伤的方法进行。管程检验主要是对两端管箱进行检验，对于加热管与上、下管板连接部位的检验，可以通过上管箱或分离室的人孔进入内部对角焊缝进行表面渗透检测。加热管在温度、压力和碱性及硫化物等腐蚀性介质中运行，由于介质的腐蚀、冲刷、疲劳应力等作用，加上机械或水力化学除垢清洗乃至酸洗，会使管壁产生各种腐蚀缺陷、损伤和壁厚减薄，这将严重威胁设备的安全运行。但是加热管束的检测一直比较困难，钢管数目较大且拆卸不方便，现场检测时肉眼和内窥镜只能检查部分管子的表面状况，且带有一定的主观性。国外的超声波检测技术如内部旋转检测系统(IRIS)和涡流检测对管束的壁厚减薄有着很好的检出效果。

2.2管壳程工作条件对检验的影响

从蒸发器壳程、管程的工作压力分析，按照压力容器国家标准划分，并不是每个腔体都满足压力容器的条件。对于壳程，工作介质为低压蒸汽(设计工作压力＜0.49MPa，温度130～150℃)，低压蒸汽的工作温度高于标准沸点，属于压力容器的范畴。管程黑液的工作温度低于标准沸点，就不属于压力容器范畴，定期检验时可以不对管程部分如上管箱和气液分离室进行检验。从工作温度分析，管、壳程介质存在较大的温度差，如果是异种钢焊接如碳钢和不锈钢，由于线膨胀系数不同造成加热管和管板角焊缝处承受较大的温差应力，再加上焊接残余应力或焊接缺陷的影响，容易产生裂纹或拉脱开裂，最终可能导致介质泄漏。管板与加热管连接部位的泄漏在管壳式换热器失效案例中比较普遍，比较常见的现象是Ⅰ效清洁冷凝水电导度异常，后几效污凝结水严重超标。

2.3工作介质流动特性对管壳程检验的影响

为获得较好的换热效果，绝大部分管壳式换热器的介质都在一定压力下不断地流经管程或壳程，以实现管壳式换热器的稳定传热。从介质流动性角度出发，应重点检查设备上流速变化较大的部位及流动形态发生较大变化部位被流体的冲刷腐蚀情况。例如:管壳程各进出口管角焊缝、加热管与管板连接部位。管程或壳程的进口端，流速相对较大，应侧重进行检查，尤其是当介质中带有固体颗粒的场合。另一方面，在流体的滞流区域，容易结垢，容易形成腐蚀介质的富积浓缩和垢下腐蚀，因此应重点检验这些部位的腐蚀情况。如壳程排液管及管板附近的区域。立式管壳式换热器，当腔体内产生蒸汽时，在腔体顶部和蒸汽出口管之间容易形成死气层，造成局部过热，应注意检查这一区域的变形和腐蚀。

2.4生产工艺对检验的影响

实现热量交换是黑液浓缩生产工艺对蒸发器的基本要求，尤其对于气液分离室有液位控制的要求，气液交界面是一个检验的重点。由于气相和液相的组分不同，应注意检查不同介质组分对材料腐蚀的差异。此外气相空间的特殊结构也会影响检验方案的制定。如气液分离室上部的斜锥壳、上下管箱的大开孔部位等。尽管降膜蒸发器结垢速度慢，但结垢或堵塞仍是蒸发器最值得重视的运行问题，在线洗涤功能和定期的停运清洗可有效去除过多的结垢，从而保证传热效率，减少加热管束产生结垢腐蚀穿孔的几率。

2.5制造工艺对检验的影响

管箱组焊后，加热管和管板角焊缝、接管与壳体焊缝处存在较大的焊接残余应力，在检验中应注意这些部位的检查。因为焊接残余应力和焊缝部位的应力集中可能导致应力腐蚀裂纹的产生，尤其是大开孔接管内侧角焊缝。管板与加热管的连接是蒸发器制造中的难点，胀接工艺掌握不当可能造成过胀或欠胀，焊接中的一些缺陷将直接影响连接强度和密封性，先胀后焊控制不当容易产生气孔和胀口松弛;先焊后胀控制不当会将焊缝胀裂。胀接残余应力是产生应力腐蚀裂纹的重要原因。因此检验中应重点检查加热管与管板连接焊缝和加热管管头内表面。固定管板式换热器的最后一道壳体与管板的连接焊缝，制造中无法进行射线检测，控制不当有可能存在原始制造缺陷，而该部位承受的边缘应力和温差应力又较大，因此检验中应重视管板与壳体连接焊缝的检查，必要时可增加表面无损检测的比例。

3蒸发器定期检验的重点部位和检测方法［3］

根据《固容规》和《定检规》的有关要求，检验程序一般包括检验准备、全面检验、问题或缺陷处理、出具结论报告等环节。对于黑液管式降膜蒸发器等低压容器，检验方法以宏观检查、壁厚测定、表面无损检测为主，根据实际情况可辅以射线、超声、涡流、硬度、光谱分析、耐压试验等检测手段。

3.1壳程全面检验

3.1.1检验准备

通常只能检验筒体外表面，由于蒸发器直径较大，表面工作温度较高，只存在均匀腐蚀的可能，为节约检验费用、减轻企业经济负担，可局部拆除保温层进行检验，重点选择管板、锥封头与壳体连接焊缝、壳程本体焊缝、蒸汽接管角焊缝等区域。对于碳素钢或低合金钢制壳体焊缝，检验前应按一定比例对上述重点部位进行打磨除锈除漆。

3.1.2宏观检查与超声测厚

宏观检查主要包括外观、结构及几何尺寸是否符合容器安全使用要求，外保温层的完好状况，支座有无变形、损坏，支座与壳体焊接的角焊缝在受拉侧是否有表面裂纹，容器基础是否存在下沉、倾斜、开裂。对保温层破损脱落、局部腐蚀严重的设备，应对整个壳体表面进行全面检查，找出腐蚀最严重部位进行测厚、记录，适当增加测厚点。对外表面均匀腐蚀的设备，测厚点应重点选择流体冲刷腐蚀、滞留积垢腐蚀、接管等部位所对应的外表面进行检测。

3.1.3无损检测

管板凸缘与壳体连接环焊缝要承受较大的边缘应力和温差应力，同时固定管板换热器制造中有一道焊缝不能进行射线检测。因此，管板与壳体连接焊缝应进行表面检测。此外，气液分离室锥壳等形状突变部位的环焊缝、壳体不连续部位的接管角焊缝、错边和棱角度较大部位的焊缝、丁字形焊缝等也要进行无损检测。因为壳体材料多为碳素钢或低合金钢，属于铁磁性材料，表面检测优先采用磁粉探伤，不锈钢材料焊接部位多选择渗透探伤;由于壳体内加热管束遮挡，壳体焊缝埋藏缺陷检测只能采用超声波探伤。

3.2管程全面检验

3.2.1检验准备

为了减少外保温层拆除工作量，可通过上、下人孔进入蒸发器管箱内部进行检测。为实现管板和加热管的清洗、检测，需对上管箱内的黑液分配盘进行拆除，对加热管束垢层进行彻底清理。必须注意在进入管箱作业前，需对管程部分进行强制通风置换，经气体取样分析合格后再进人作业，避免检修时发生意外伤害。

3.2.2宏观检查与壁厚测定

重点检查接管角焊缝内表面、加热管与管板连接焊缝及管端内表面等流体冲刷较大部位。对泄漏堵管修理的管板，应重点检查堵管附近区域的加热管与管板连接部位，因堵管附近区域的介质流速更大，冲刷更严重，并且修理时可能造成附近区域管子胀接的松弛。重点检查应力集中和残余应力较大的各纵环焊缝、接管和加热管角焊缝、加热管胀接部位等处的腐蚀和裂纹，尤其是大开孔接管的角焊缝。对管箱筒体、封头的检测，应重点选择介质冲刷腐蚀较大的区域、易产生结垢腐蚀的区域、黑液循环管等进行测厚检测。

3.2.3无损检测

对于管箱而言，重点选择接管角焊缝内表面、管箱筒体纵焊缝、筒体与封头连接环焊缝进行表面检测，必要时选择纵焊缝、环焊缝、丁字形焊缝等进行埋藏缺陷检测，视其材质、壁厚等因素选用射线探伤或超声波探伤，当管箱材料为奥氏体不锈钢或者壁厚较薄时一般选用射线探伤。对管板与加热管及中心循环管的连接角焊缝表面检测抽查时，铁磁性材料一般选用磁粉探伤，当管子为不锈钢材质时需选用渗透探伤。在检修时为了能够及时发现加热管的壁厚减薄或内外壁缺陷，以往对加热管进行定期检验的方法主要是采用水压或气压试验进行泄漏检查，不能及时发现较严重腐蚀减薄但还未泄漏的加热管。随着涡流检测技术的发展和检测仪器的成熟，对蒸发器加热管常用的碳钢无缝管可选用远场涡流进行检测［4］，利用低频电磁穿透力强的原理，在不进行磁饱和的情况下，可以检测铁磁性金属管的内外壁缺陷和管壁的剩余厚度。而对不锈钢管等非铁磁性材料则选用常规涡流检测的方法。因为钢管已与管板、支撑板等组装成管束，定期检验时无法将管子拆下，因此只能选择内插式探头。涡流检测前应结合待检管束的材质、规格参数，根据JB/T4730.6—2005《承压设备无损检测-涡流检测》标准制作标样管，利用对比试样调节探伤仪参数，编制检测工艺卡，由于黑液管式降膜蒸发器加热管根数很多，现场操作时严格按照工艺卡进行抽查。

3.3安全附件检验

主要是检查安全阀、压力表等安全附件是否符合相关标准和使用要求;是否按规定周期进行了校验;现场安装表阀是否在校验有效期内;压力表工作是否正常等。

4耐压试验

按照《固容规》的最新规定，在定期检验过程中，当使用单位或检验机构对蒸发器的安全状况有怀疑时，应当进行耐压试验。此外，当蒸发器在使用过程中进行了改造或重大维修施工，应根据《固容规》的要求进行耐压试验。停止使用2年后重新复用以及移装的蒸发器应按照定期检验规则的有关规定进行检验，并且进行耐压试验［5］。

耐压试验可分为液压试验、气压试验以及气液组合压力试验3种。由于蒸汽和黑液均属无毒、非易燃介质，因此可进行水压试验，试验具体步骤和参数可按照《定检规》和《固容规》相应条款执行。需注意的是蒸发器管、壳程的试压顺序为先壳程后管程。

5检验周期的确定［4］

蒸发器一般应当于投用后3年内进行首次定期检验，下次检验周期根据其安全状况等级确定:1、2级的一般每6年一次;3级的一般3～6年一次;4级的应监控使用，累计监控使用时间不得超过3年;5级容器应对缺陷进行处理，否则不得继续使用。对于4级且监控期满的容器或5级容器，除了采用修理的方法消除缺陷外，还可进行使用评价。使用单位应严格按照检验报告的结论控制压力容器的运行参数，加强年度检查，以确保容器的安全运行。

6结语

作为碱回收系统黑液蒸发站的核心设备，管式降膜蒸发器由于其工艺要求和结构特征的特殊性，在使用环节为保证其安全运行所作的检验检测须根据蒸发器的特点来开展，尤其是对焊缝的表面无损检测应根据待检试件的材质来选择，以保证缺陷的检出灵敏度。