[全焊接板式换热器的制造工艺和简介] 焊接板式换热器原理

全焊接板式换热器的制造工艺和简介

晨怡热管 (1.青海大学化机系,青海西宁 810016;2.兰州兰石换热设备有限责任公司,甘肃兰州730050 1.祁玉红 2.李治国 2008-6-29 18:21:18 摘要:简要介绍了全焊接板式换热器的芯体和外壳的制造工艺以及在制造过程中所采用的焊接技术。通过介绍可知,全焊接板式换热器是一种传热效率高、结构紧凑独特的新一代换热设备。

关键词:全焊接板式换热器;制造工艺;结构设计

中图分类号:TQ051.5 文献标志码:B 文章编

号:1005-2895(2007)03-0124-03

0 前 言

板式换热器是1种高效而紧凑的换热设备。由于有传热系数高、压力损失小、结构紧凑、维修方便等诸多优点,并且随着结构的改进和大型化制造技术的提高,板式换热器的应用日益受到人们的重视[1]。但是传统的散装式板式换热器(可拆卸式板式换热器),由于本身结构的局限性,使用压力不超过2.5MPa,使用温度不超过250℃,最大组装面积2000m3,另外还存在橡胶密封垫在高温下容易失效的缺陷以及在某些特定介质中的应用问题一直未能解决。因此,为了提高板式换热器的使用温度和压力,扩大其使用范围,国内外陆续开发、制造并使用了多种焊接板式换热器。这些焊接板式换热器已经越来越多地用于化工、石油、动力、冶金等领域的加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收等过程中。

经应用证实全焊接板式换热器其有以下优点:

(1)适用温度为-200～900℃,压力变化范围为真空～6.0MPa,最大组装面积可达6000m2。

(2)传热效率高,板片表面几乎都参与了热交换。

(3)由于板片热交换充分、均匀,波纹深度变化范围大,不论流体在板间或管间流道,流动均顺畅,没有死区,阻力损失小。

(4)占地面积小,与可拆卸式相当。紧凑的结构可达到250m2/m3。

(5)重量轻,仅为相同换热面积管壳式换热器的1/5～1/4。

(6)同一种流体在列管式换热器内当雷诺数为4000～6000时,才能达到湍流状态,而在全焊接板式换热器内当雷诺数为100～300时,就可达到湍流状态。

(7)板片在四周交错焊接后,在运行过程中由于热胀冷缩现象,板片内应力释放,会使板片表面污垢自动脱落下来。通常污垢热阻仅为列管式换热器污垢热阻的1/5～1/4。 1 全焊接板式换热器的主要制造工艺

1.1 全焊接板式换热器的芯体结构制造

全焊接板式换热器的板片材料通常为奥氏体不锈钢:304,304L,306,316L,321等以及镍基合金、工业纯钛。材料只需具有基本的可焊性和冲压性能,都可以用来制作板片元件。板片厚度通常为0.4～1.0mm。

全焊接板式换热器的板片生产利用了板片成型自动化生产线。利用接刀、定位与找正技术,采用整板分次连续压制成型,其板片形式主要有水平平直波纹板片、窝形波纹板片、或平板板片等。通过改变换热板片的长度和叠加厚度来实现结构的变换。

单个板片两两正反通过翼边组焊成一束,板片四周交错焊接,这种独特的结构可以使传热板片通过翼边焊接形成另一流体的通道。因此多个板束通过焊接联系起来就形成了2个流体通道,即板间流道和管间流道(见图1,图2)[2]组成了全焊接板式换热器的芯体结

构。

1.2 全焊接板式换热器的连接板的设计

众所周知钢板越薄,传热效果就越好,但是钢板太薄会给制造加工带来很大的困难,尤其是在焊接时,薄板的对接焊缝易烧穿,无法成型。在全焊接板式换热器当中就存在这样的问题。

在全焊接板式换热器中由于管侧端板为δ=20mm的0Cr18Ni9的钢板,而换热器板片的板厚仅为0.4～1.0mm,因此管侧端板母材焊接加热温度达到熔化点时,传热板片已熔化掉了一大片,根本无法进行焊接。如果将传热板片的板厚加厚(如改为1.2mm以上),则不存在上述困难,但是为了获得良好的传热效果,决定不改变板厚,而是在管侧端板和板束之间加焊了1层δ=3～4mm的连接板解决了上述问题,具体实施方法:按板束翼端连接处实际形状制造1块δ=3～4mm的连接板,如图3所示。先将连接板与板束端部吻合部分用脉冲氩弧焊进行单面焊双面成形,并做煤油渗漏试验,以不渗漏为合格,然后用手弧焊直接将连接板搭焊于管侧端板之上,最后再将板侧端板焊接于管侧端板上。接下来就是将管侧端板和板侧端板分别与管侧壳体和板侧壳体相焊接形成全焊接板式换热器的外壳。

1.3 全焊接板式换热器的焊接工艺

全焊接板式换热器是将全部板片通过焊接联系起来,取代了传统板式换热器中的橡胶密封垫片,防止了在高温下垫片变形失效而造成介质的泄漏。因此焊接工艺在全焊接板式换热器当中是重点也是难点。

焊接δ

在板片两两正反通过翼边焊接时,因不锈钢薄板散热慢,温度高,易发生氧化。因此在焊接的同时在背面焊缝处要设置氩气凹槽保护装置,通人少量氩气,大大提高了保护效果,避免了焊缝背后严重的氧化现象,使焊缝正反两面均呈现金黄色,即实现了单面焊双面成形。

在全焊接板式换热器的芯体焊接时,采用了全自动芯体氩弧焊。如焊接速度太快,气体保护效果不好,焊缝金属容易被氧化;焊接速度太慢,又可能出现咬边烧穿等缺陷。因此在焊接过程中,电弧要短,焊速要保持均匀,使上下板能很好熔合。熄弧时应填加少许焊丝,使弧坑填满,可以避免弧坑开裂[3-6]。

在板束和连接板的焊接工艺中采用了脉冲氩弧焊焊接。因为板束角焊缝和管侧端板直接焊无法熔合,如果改为搭接焊,焊枪无法伸入根部,根部焊不牢,密封就成了问题。而使用连接板时,连接板与板束变为了对接焊缝,从而彻底解决了角焊缝熔合不上的难题。

由于采用了合理的焊接顺序及合理的焊接工艺,使焊接变形不明显。虽有局部小范围起包,经锤击矫正均可达到质量要求。锤击矫正禁止使用碳钢螂头锤击,要采用木锤。 2 小结

全焊接板式换热器的板型结构设计合理,使传热与流体阻力特性匹配合理,故传热效率高、压降低、综合性能较佳,消除了管壳式换热器和可拆卸板式换热器存在的死区现象。采用周边组焊的板束形式,取消了密封垫片,故耐热、耐压性能优于可拆卸板式换热器。板片系模块化结构,可根据不同的工艺要求改变流程形式和流道面积的大小。

全焊接板式换热器是集板式换热器和管壳式换热器优点于一身的新一代高效换热设备,适用于传热效率高、结构紧凑和压降小的气-气、气-液及液-液换热场合,是一些特殊热交换工艺中替代管壳式换热器的最理想设备。

参考文献:

[1] 王玉成,郑美丽.HB01全焊式板式换热器研制[J].石油化工设

备,1998,27(4):8-10.

[2] 李宗会.超薄板换热器的研制[J].压力容器,1998,4:51-53.

[3] 马黎阳,丁月成.手工TIG焊焊接不锈钢薄板[J].安装,1995,4:21-22.

[4] 何继海.ASTM321奥氏体不锈钢的焊接工艺评定[J].轻工机

械,2006,24(3):73-74.

[5] 邹尚利,冯玉敏.单面焊双面成形技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

[6] 杨崇麟.板式换热器工程设计手册[M].北京:机械工业出版社,1998