传统的散装式板式换热器(即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 2000m 3,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得到解决。
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。
在焊接板式换热器当中就存在这样的问题。在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。板式换热器厂家指出,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一层δ=3—4mm按板束翼端连接处实际形状制造的连接板解决了上述问题。因此连接板既要和板束焊接又要与管侧端板焊接,从而产生较大的热变形,给设计和制造工作带来很多麻烦,因此对连接板的热应力分析显得尤为重要。
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。
常见的焊接板式换热器腐蚀有以下三种情况:
1、不锈钢的缝隙腐蚀
由于金属表面上会有一些缝隙,而这些缝隙内溶液与腐蚀有关的物质迁移困难而导致缝隙内金属的腐蚀,称为缝隙腐蚀。在不锈钢形成的各种缝隙内,溶液中的氧只能通过扩散进入,不锈钢缝隙的内表面会很快消耗缝隙内溶液中的溶解氧,当溶解氧降至零时,缝隙内的不锈钢表面钝化膜就开始发生还原性溶解,结果是造成不锈钢的缝隙腐蚀。
2、不锈钢的孔蚀
孔蚀又称为点蚀或坑蚀,孔蚀是在金属表面上产生小孔的一种极为局部的腐蚀形态。这种孔的直径可大可小,但在大多数情况下都比较小。有些蚀孔孤立地存在;有些蚀孔则紧凑在一起,像一片粗糙的表面。
3、不锈钢的应力腐蚀破裂
应力腐蚀破裂是指拉应力和特定腐蚀介质的共同作用而引起金属或合金的破裂。应力腐蚀破裂的特点是,大部分表面上并未遭破坏,只有一部分细裂纹穿透金属或合金内部。应力腐蚀破裂能在常用的设计应力范围之内产生,因此后果严重。
管板与管子连接的方法很多,目前一般多采用胀焊工艺,无论是先焊后胀或是先胀后焊,只要工艺得当,均可保证管板与管子的连接处具有良好的连接强度和密封性能。某厂的锅炉给水预热器(E-1253),是一双壳程U型管换热器,其总长为4273mm,直径为1250mm。因壳程隔板以上的部分处于高温区,故采用强度焊加贴胀,而在壳程隔板以下部分,因处于较低的温度下,故管子与管板的连接仅强度焊。经拆开检查发现,壳程隔板以上的部分换热管管头与管板脱开,并伸出管板,伸出最长的约200mm左右。经观察,断裂位置主要在管子与管板的连接焊缝与管板表面的连接处,同时观察到部分脱出的管子管口向外翻出,呈喇叭口状。
在轴向力作用下,管口焊缝处的应力集中及变形接上述计算结果,即上、下部换热管在压力及温度作用下所产生的轴向力,对管子与管板连接焊缝处的应力集中及变形进行分析。在轴向推力作用下焊缝处的应力及变形。而且管口向外翻出呈喇叭口状,与现场破坏时的变形状况一致。管伸出管板的变形失效分析为查找引起管口断裂的主要成因,我们对厂方提供的管束失效残骸进行失效分析,内容包括:失效件的宏观形貌分析;对失效部位进行微观金相分析;运用扫描电子显微镜分别对管口与管板联接焊缝处的断口、管板孔口直管段的裂纹断口进行断口形貌分析;选取无污染和有代表性的二次裂纹,将其打开,用X-RAY能谱对二次裂纹断口面的腐蚀产物进行分析。
宏观分析经观察,所检查的8个断口试样全部断裂于管口与管板联接焊缝上,断裂是完全脆性的,断口表面有腐蚀产物;断裂面与管子的外壁表面呈近似的45b夹角,刚好与管子外伸作用力在管口联接焊缝上形成的最大拉应力正交,因此,这是有腐蚀参与的正应力断口。借助于放大镜,可看到断裂由管子与管板连接焊缝处的内侧启裂向外侧发展。对提供的8个试样进行仔细的检查,无法肯定管子已经过贴胀。微观金相分析根据宏观分析结果,选取断口形貌相对保存完好的,并且包含有裂纹的启裂点和裂纹扩展区的断口,进行断口的扫描电镜分析;同时割取带有裂纹启裂部位的金相试样,进行金相检验分析。
经金相微观检验发现:管口与管板联接焊缝开裂部位除了主断口以外,还发现了扩展方向的焊接热影响区裂纹和焊缝上的裂纹。在微观上它们都是与腐蚀有关的断裂过程,裂纹有分枝,但分叉特征不典型,因此这类裂纹的断裂机理不是单纯的应力腐蚀破裂。此外,在出现裂纹部位附近还能看到许多表面损伤,包括:管子外壁表面的腐蚀浅表沟槽和与管子外壁表面呈近似45b的浅表裂痕,如图9,这些腐蚀沟槽和浅表裂痕有穿晶启裂,也有沿晶启裂,而随后的扩展过程都是穿晶的。仔细观察照片可见:奥氏体晶界并未出现双晶界,即未出现敏化,同时我们也未发现裂纹的萌生和扩展与材料的显微组织之间存在必然联系。因此,材质本身不会有问题。