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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:
1001—4837{2005)12—0039—04
FailureAnalysisofBrazedHeatExchanger
CHENYong—d0ng,ZHANGMhlg—ran,AIZhi—bin
(HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230031,China)
Abstract:
Brazedheatexchangerisahighefficientcompactexchangerwhichhasbeenwidelyused.Italsohas
afatalshortcoming.ThisexchangerCannotberepairedonceleakagehappening(especiallyinsideleakage).
Somefailurecausesofbrazedheatexchangerwhichproducedbyaforeigncompanywerediscussedinthispa—
per.Inordertokeepgoodperformance,thequalityofbrazedheatexchanger(suchasbrazingtemperature)
shouldbestrictlycontrolled.Thefailuremustbepreventedbothindesignandinstallation.
Keywords:
brazing;failure;waterhammer
1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B65L×l30/lP—SC—S
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失效的钎焊板式换热器
根据现场记载,实际蒸汽压力为3.5~4.0bar
(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16160×
3.2金相分析
从换热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8~l8).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()5
3.3能谱分析
从取金相分析试样部位附近取能谱分析试样进
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19~22).
表2
钎焊缝一1钎焊缝一2
E1ement
W~ight(%)Atomic(%)Weight(%)Atomic(%)
CK9.1532.626.5526.27
0K2.647.061.1O3.32
CrK1.231.Ol0.48O.44
MnKO.78O.601.o80.94
FeK5.484.2l1.551.34
NiK1.441.05O.77O.63
CuK79.2453.4288.4767.06
MoLO.05O.02
Totalsl0o.0ol0o.0o
表3
钎焊缝一3钎焊缝一4E1
ement
Weight(%)Atomic(%)Weight(%)Atomic(%)
CK5.1821.349.1532.62
0K1.835.642.647.06
CrK0.74O.701.231.Ol
MnKOI820.74O.78O.60
FeK3.232.865.484.2l
NiK1.491.261.441.05
CuK86.5967.3979.245342
MoLO.12O.06O.Cl5O.02
Totalsl0o.0ol0o.0o
图l9
图20
根据金相分析结果认为,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.
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180~C
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AUTO—CAD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
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学
苑出版社,1994:
499.
收稿日期:
2005—10—18
(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:
2005—10—05