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1、钎焊板式换热器的失效分析钎焊板式换热器的失效分析陈永东.张明然,艾志斌(合肥通用机械研究院,安徽合肥230031)摘要:钎焊板式换热器是一种应用场合日益增多的紧凑型高效换热器,但也暴露出一个显着的缺点,就是泄漏时(尤其是内漏时)不能修复.本文分析了某外国公司钎焊板式换热器的失效原因,指出要充分发挥该种换热器的性能特点,除严格控制其制造质量外,还应从设计与安装两方面进行失效预防.关键词:钎焊;失效;水锤中图分类号:TQ051.5文献标识码:B文章编号:100148372005)12003904FailureAnalysisofBrazedHeatExchangerCHENYongd0ng,ZHA
2、NGMhlgran,AIZhibin(HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230031,China)Abstract:Brazedheatexchangerisahighefficientcompactexchangerwhichhasbeenwidelyused.Italsohasafatalshortcoming.ThisexchangerCannotberepairedonceleakagehappening(especiallyinsideleakage).Somefailurecausesofbrazedheatexchangerw
3、hichproducedbyaforeigncompanywerediscussedinthispaper.Inordertokeepgoodperformance,thequalityofbrazedheatexchanger(suchasbrazingtemperature)shouldbestrictlycontrolled.Thefailuremustbepreventedbothindesignandinstallation.Keywords:brazing;failure;waterhammer1弓I-g的支撑点和边界上,起到密封和加强作用.2O世纪90年代以后,随着制冷行业的蓬勃
4、发展,一种作为制冷系统蒸发器,冷凝器的钎焊板式换热器崭露头角,随后其应用场合不断拓展到供热,化工等领域.我国太原市,天津市许多集中供热系统都大面积采用钎焊板式换热器(见图1).1998年原国家机械工业局颁布了行业标准JB8701制冷用板式换热器,对钎焊板式换热器的制造,检验与验收都作了规定.钎焊板式换热器是将板片和钎箔预组成板片包后,送入钎焊炉在高温作用下形成一体的板式换热.器(见图2).其结构特点是钎箔(一般是铜箔,镍箔)在高温下熔化成液体通过毛细作用吸附在板片图1天津大王庄供热站标准同时规定,对于板片包厚度大于150nlin或两侧通道总容积大于0.025m3的钎焊板式换热器都应执行压力容器
5、的设计制造管理体系.?39?钎焊板式换热器的失效分析2钎焊结构剖面2失效的发生某外国公司钎焊板式换热器在使用中发现泄漏,该换热器的主要参数如表1所示.每一台B65换热器参数的确定是根据系统的加热要求而定的,使用180cI=的蒸汽将水从50cI=加热到6ocI=.每个单元的热负荷是1100kW.两台B65安装后,在背面加强板的同一区域出现泄漏,泄漏所在区域是蒸汽进口(见图3).表1型号B65Ll30/lPSCS制造年份2001焦最高工作压力(bar)3l/3l最高工作温度()l85/l85容积(L)37.7/38,3换热板材质316L厚度(1/lin)0.4实际介质去离子水/蒸汽图3失效的钎焊板
6、式换热器根据现场记载,实际蒸汽压力为3.54.0bar(表).对应的冷凝温度大约为150.换热器的蒸汽来自换热器旁边的分汽缸顶部.这个垂直的主管道向上到顶部后弯成水平的管道到达安装位置.从这个水平管的底部向两台换热器供汽(见图4).而通常推荐从主管线的顶部供汽,这样可以保证在系统开始运行时不会有冷凝水进入换热器从而减小水锤的危险.图4换热器安装位置图外方认为,该换热器失效的主要原因有以下几条:(1)使用介质中存在含氯介质,实际运行过程中存在cl一应力腐蚀环境,导致应力腐蚀破坏;(2)换热器选型不合理;(3)安装管线不合理造成”水锤”现象的发生;(4)疏水器工作不正常.3失效分析可以发现,外方分
7、析的原因中没有一条涉及到设备本身.受该外国公司中国办事处的委托,由我院对换热器的失效原因进行综合分析.3,1气压试验在换热器两侧通道分别进行气压试验,当压力升至3.5bar时,停止加压,在换热器外表面涂肥皂水.此时压力表指示压力明显降低,换热器背面有气泡产生(见图5),据此可确定换热器有外漏发生.图5在一侧通道注满水,另一侧通道进行气压试验,当该侧通道气压缓慢增加时,注水侧两接管端口水面产生大量气泡(见图6),此现象表明换热器有内漏发生.第22卷第l2期压力容器总第157期图6据此可以断定,换热器不仅存在外漏现象,同时也存在内漏现象.图7图10160图13160图161603.2金相分析从换热
8、器上取试样进行金相分析,分析用试样见图7.试样经机械磨光和抛光后用王水溶液进行侵蚀,并在光学金相显微镜下进行观察和拍照.金相分析结果表明,换热器取样部位的316L换热板母材存在明显的晶界熔化,开裂,新生相沿晶界生成以及晶粒粗大等现象(见图8l8).主要结果如下:最大双侧晶界熔化深度:0.18rnlTl(图11)最大单侧晶界熔化深度:0.13rnlTl(图l4)最大晶粒尺寸及晶粒度:0.35l/lnq(图l5)图8160图l1160图14160图17160图9160图12l60图15160图18160钎焊板式换热器的失效分析Vo.No1220()53.3能谱分析从取金相分析试样部位附近取能谱分析
9、试样进行x一射线能谱分析(分析4个部位),分析的目的主要是确定钎焊焊缝金属的主要成分及是否存在使用中残留的腐蚀性杂质元素.能谱分析结果表明,钎缝金属属铜基合金,其主要成分包括:Cu,Ni,Cr,Fe,O等元素.分析部位未发现明显的Cl一残留(结果见表2,表3及图1922).表2钎焊缝一1钎焊缝一2E1ementWight(%)Atomic(%)Weight(%)Atomic(%)CK9.1532.626.5526.270K2.647.061.1O3.32CrK1.231.Ol0.48O.44MnKO.78O.601.o80.94FeK5.484.2l1.551.34NiK1.441.05O.7
10、7O.63CuK79.2453.4288.4767.06MoLO.05O.02Totalsl0o.0ol0o.0o表3钎焊缝一3钎焊缝一4E1ementWeight(%)Atomic(%)Weight(%)Atomic(%)CK5.1821.349.1532.620K1.835.642.647.06CrK0.74O.701.231.OlMnKOI820.74O.78O.60FeK3.232.865.484.2lNiK1.491.261.441.05CuK86.5967.3979.245342MoLO.12O.06O.Cl5O.02Totalsl0o.0ol0o.0o图l9图20根据金相分析结果
11、认为,换热器制造过程中的钎焊加热温度过高,导致出现奥氏体晶粒粗大(最大晶粒尺寸大约0.35nlnl,晶粒度0级),晶界发生熔化引发晶界开裂等过烧现象,同时由于钎料渗入熔化的晶界导致新生相在晶界生成,这些都会导致晶界弱化,使晶界部位成为破坏(疲劳,应力腐蚀开裂等)的启裂点.图2l图22能谱分析结果表明,钎缝金属属铜基合金,其主要成分包括:Cu,Ni,Cr,Fe,O等元素.分析部位未发现明显的cl一残留.因此主观臆断其失效是由应力腐蚀破坏造成的缺乏科学依据.由于钎焊结构的特殊性,尽管分析中采用线切割的方法将换热器解剖成很多块,仍没有发现导致内漏的穿透裂纹.但根据气压试验的结果,这种内漏是肯定存在的
12、.3.4设计及安装的影响外方从设计与安装等方面对换热器失效进行的分析也是不无道理的.蒸汽压由蒸汽入口的控制阀控制.使用180C的蒸汽将水从50加热到6o,针对这样的热负荷换热器的面积裕量太大.过大的面积和容积会导致水温高于设定值,这时控制阀会自动将蒸汽压力调低.减少了蒸汽压力(同时也降低了冷凝温度)直到换热器水侧达到稳定的响应温度为止.此时的蒸汽压力可能低于大气压力,这也意味了蒸汽供汽压力小于背压(对于敞开的冷凝水系统,这个背压等于大气压力).系统停止了正常运行,冷凝水通过疏水器的自然排放也停止了.当换热器水侧出口温度低于设定值时,蒸汽控制阀门又会进一步地开大,蒸汽涌入装满冷凝水的换热器.蒸汽
13、突然冷却或冷凝,都会引发”水锤”现象(你能清晰地听到典型的滴答声或撞击声).斯派莎克公司认为水击的当量压力高达1200bar,能“吃”掉换热器的金属.另外,换热器的温度从60周期下转第35页)第22卷第12期压力容器总第157期L.-J图6DNC加工过程图系统计算机,计算速度非常之快,完全解决了机床的CNC控制器运算速度慢的问题.由于加工中心机床价格非常昂贵,如果过多地占用机床的本身的CNC控制器来编写和调试程序,无疑会缩短机床用来走刀的工作时间,此时如果加工中心机床正在工作,技术人员照样可以在别的微计算机上进行程序编制,通过AUTOCAD软件查看程序的运行情况,而且普通的微计算机屏幕为l5或
14、l7英寸,通过局部的放大,缩小,求交点等操作来调试修改,对比程序的运行情况,将设计好的程序储存到软盘上,通过DNC来实现数控加工,完全摆脱了机床本身CNC控制器的限制.对于大型的复杂的程序,一般的机床操作工是很难设计成功的,需要由专业的技术人员来实现,而他们往往不会使用EIA代码编制NC程序,但是只要会用QuickBASIC,这个问题就迎刃而解了.5结论整体式的接管补强采用数控加工后具有较好的表面质量,壁厚均匀,具有较高的尺寸精度,彻底解决了普通机床无法加工复杂三维型面的难题.数控加工的接管补强应用在齐鲁石化公司机械厂制造的多台疲劳容器上,效果较好,数控机床程序采用参数形式编制,使用时仅需改变
15、程序中相应的参数即可加工不同规格尺寸的接管补强,十分方便.通过对数控机床CNC控制系统进行改进,使更多的技术人员能够自行设计加工程序,提高了机床的利用率,使之在精密机械加工中发挥更大的作用.参考文献1ASMEBoilerandPressureVesselCode一2S.Version1998.2实用数控加工技术编委会.实用数控加工技术M.北京:兵器工业出版社,1995.4.3:清川I盛雄.MITSUBISHI三菱CNC控制器MELDASM3A系列程序设计手册M.北京:1991.9.4j刘炳文.QUICKBASIC程序设计M.北京:电子工业出版社,1994;7190.5金属切削原理编委会.金属切
16、削原理M.北京:北京出版社,1985.6仲仁,江田,沈戈.AutoCAD12.0速查手册M.北京:学苑出版社,1994:499.收稿日期:20051018(上接第42页)循环到180oC,这种温度疲劳也相应的带来压力疲劳,最终导致了换热器的疲劳破坏.外方对疏水器的质量提出异议,认为如果疏水器不能保证单向疏水而被确认为是可逆的,存在”水锤”的危险更大.4结论钎焊板式换热器发生失效的原因是多方面的:(1)金相分析清楚地显示存在晶界开裂等过烧现象,同时由于钎料渗入熔化的晶界导致新生相在晶界生成,这些都会导致晶界弱化,使晶界部位成为破坏(疲劳,应力腐蚀开裂等)的启裂点;(2)换热器设计不合理造成蒸汽压力的不断波动,带来温度疲劳,压力疲劳,这些都会引起晶界的破坏;(3)换热器设计与安装的不合理造成”水锤”现象的发生是换热器失效的另外一个重要原因,应予以纠正;(4)系统管线上疏水器等附件的质量直接影响到设备的正常运行;(5)失效的换热器属于面积较大的钎焊板式换热器,这种换热器的制造过程中应严格控制预组装质量和钎焊过程的温度梯度,确保均匀透彻又不过烧,避免因制造而产生破坏滋生点.收稿日期:20051005