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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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1998.

[2《实用数控加工技术》编委会.实用数控加工技术[M].

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兵器工业出版社,1995.4.

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[M3A]系列程序设计手册[M].北京:

1991.9.

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电子工业出

版社,1994;71—90.

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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:

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