开题报告---不锈钢板式换热器

兰州理工大学 技术工程学院 毕业设计 (论文)开题报告 （理工类）

论文题目 不锈钢板式换热器焊接接头 组织分析

系 别：材料科学与工程系 专 业：材料成型及控制工程（焊接方向） 学 号：08050105 姓 名：车 守 恒 指 导 教 师: 石玗教授 梁卫东工程师 毕 业 时 间: 二零一二年六月 开题报告 毕业论文题目 不锈钢板式换热器焊接接头组织分析 题 目 来 源 自主 一 选题依据：

不锈钢的焊接是材料成形及控制工程，材料加工工程专业（焊接方向）教学体系中的主干研究课题。它培养研究者掌握对材料的焊接性分析的基本方法，为从事材料成型机控制工程，材料加工工程（焊接方向）或其他相关学科的技术工作打下坚实的专业基础[1]。本次研究的是不锈钢板式换热器焊接接头组织分析，研究的不锈钢板式换热器的母材是416不锈钢。分析和研究416不锈钢焊接性的目的，在于查明416不锈钢材料在指定的焊接工艺条件下可能出现的问题，以确保焊接工艺的合理性或材料的改进性。因此，必须对整个焊接过程中的材料（母材，焊材）和焊接接头区（焊缝，熔合区和热影响区）的成分，组织和性能，力学性能等进行系统的研究。其中焊接过程是一个独特的小冶景过程，在熔焊的条件下，焊缝和热影响区经历了复杂但有规律的热循环。在焊接接头这个很小的区域中，几乎所有的熔化结晶和物理冶金现象都可能出现，最后形成具有不同成分和组织和性能的焊接接头区域，对焊接接头质量有直接影响。对于焊接来说，焊接过程一般包括冶金过程和热过程这两个必不可少的过程，在焊接接头区域，冶金过程主要影响焊缝金属的组织性能，而热过程主要影响热影响区的组织和性能[2-3]。根据不锈钢的分类，查知，不锈钢板式换热器的真正母材是马氏体不锈钢。马氏体钢，其显微组织为马氏体，这类钢中铬的质量分数为11.5-18.0%。马氏体不锈钢主要是Fe-Cr-C三元合金，这类钢中高温下存在的奥氏体在不太慢的冷却条件下会发生奥氏体到马氏体的转变，属于淬硬组织的钢种。与其他不锈钢相比，马氏体型不锈钢具有较高的强度和硬度但腐蚀性和焊接性要差一些[4-7]。 换热器（heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。它是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。它是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。由于种种的不足和缺陷，就要对其进行系统的研究。目前，换热器在我国工业生产中占有的重要作用，根据所做实验观察晶相及得到的数据，分析板式换热器的组织性能和力学性能都是非常重要的。本课题以不锈钢板式换热器换热器为例，通过查阅相关资料，进行整理，重点将不锈钢板换热器焊接接头的组织性能及其重要性给予研究，以便在以后的生产中更好的了解乃至去生产合格、优良的换热器提供理论参考和实际经验[8]。 板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种高效热器（图1所示）。其各板片之间形成许多小流通断面的流道，通过板片进行热量交换，它与常规的壳管式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多。板式换热器传热效率高、占地面积小、安装使用方便、重量轻、污垢系数低以及结构紧凑的换热设备。采用焊接后, 板式换热器能承受的压力和温度大大增加, 密封性能良好。众所周知钢板越薄, 传热效果就越好, 但是钢板太薄会给加工制造带来很大的困难, 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板厚为1mm,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。因此焊接接头处的组织和力学分析也较复杂[9]。

图1 板式换热器 板式换热器的技术参数： 传热系数 W/㎡℃ 2000～6000

板式换热器技术参数 规 格 BR 0.05 BR 0.1 BR 0.2 单片换热面积㎡ 0.05 0.1 0.2 板片尺寸㎜ 500×168 660×250 970×330 板片厚度㎜ 0.9 0.9 1.0 角孔直径㎜ 38 60 75 接管直径㎜ 28 38 46 波纹形状 人字形波纹 波纹间距㎜ 10 12 12 平均板间距㎜ 3.8 4.2 4.2 可组合换热面积 ㎡ 0.5～5 4～10 10～38 最大允许使用压力 Mpa 0.4～2 最高允许使用温度℃ 一般要求120～160℃ ，特殊要求可达250℃ 传热系数W/㎡℃ 2000～6000 板式换热器的工作原理是：它是由许多波纹形的传热板片，按一定的间隔，通过橡胶垫片压紧组成的可拆卸的换热设备。板片组装时，两组交替排列，板与板之间用粘结剂把橡胶密封板条固定好，其作用是防止流体泄漏并使两板之间形成狭窄的网形流道，换热板片压成各种波纹形，以增加换热板片面积和刚性，并能使流体在低流速下形成湍流，以达到强化传热的效果。板上的四个角孔，形成了流体的分配管和泄集管，两种换热介质分别流入各自流道，形成逆流或并流通过每个板片进行热量的交换。 板式换热器的设计特点 1、高效节能：其换热系数在3000～4500kcal/m2·°C·h，比管壳式换热器的热效率高3~5倍。 2、结构紧凑：板式换热器板片紧密排列，与其他换热器类型相比，板式换热器的占地面积和占用空间较少，面积相同换热量的板式换热器仅为管壳式换热器的1/5。 3、容易清洗拆装方便：板式换热器靠夹紧螺栓将夹固板板片夹紧，因此拆装方便，随时可以打开清洗，同时由于板面光洁，湍流程度高，不易结垢。 4、使用寿命长：板式换热器采用不锈钢或钛合金板片压制，可耐各种腐蚀介质，胶垫可随意更换，并可方便在、拆装检修。 5、适应性强：板式换热器板片为独立元件，可按要求随意增减流程，形式多样；可适用于各种不同的、工艺的要求。 6、不串液，板式换热器密封槽设置泄液液道，各种介质不会串通，即使出现泄露，介质总是向外排出。

二、文献综述： 尽管不锈钢板式换热器在我国已经普遍应用，但是技术和发展上还是比较滞后的。为了更好地再生产等领域中应用，首先要知道其意义，研究现状以及进展。目前研究采用的新技术和新方法, 指出板式换热器在广泛的领域将大有作为。国外自 20世纪 30年代开始,板式换热器的应用已非常普遍。我国 20世纪 70年代, 开始批量生产板式换热器, 当时大多用在食品、轻工、机械等部门; 20世纪 80年代初期, 扩大到民用建筑的集中供热; 中期, 随着高层建筑集中空调的增多和空调制冷设备产品的更新换代, 板式换热器在空调制冷领域里的应用已名列前茅。近年来, 板式换热器技术日益成熟,其技术的主要特点有: 第一, 板式换热器单元和单片面积大型化。第二, 采用垫片无胶连接技术, 使板式换热器安装和维护的时间节约 80 %。第三, 由一种规格的板片设计两种不同波形夹角, 以满足有不同压力降要求的场合, 从而扩大了应用范围。第四, 板片材料多样化, 已使用了不锈钢、高铬镍合金、蒙乃尔哈氏合金等材料, 甚至还推出了石墨式换热器。 板式换热器设计、运行还是主要依靠实验研究。早在 132年前, 德国发明了板式换热器, 直到1923年 APV公司才开始成批生产铸铜沟道板片的板式换热器。1930年, 研究出不锈钢波纹板型板式换热器, 从此为现代板式换热器奠定了基础。通过实验研究和应用实验表明, 人字形的传热特性和流阻特性效果优良, 所以近几十年板式换热器大都采用人字形板片。最具有代表性的实验当属W. W. Focke的实验研究, 他采用了有限扩散电流技术 ( DLCT ) , 通过类比关系得到人字形流通的传热速率。此研究确切地找出了板式换热器波纹倾角对传热与阻力性能的定性关系。W. W. Focke的实验也为板式换热器的实验指出了途径。“双板”结构焊接板式换热器、PLATULAR 换热器、PACKINOX 换热器，德国DEG 公司、瑞典SWEP公司、美国Flat Plat 公司、API 传热公司、澳大利亚MULTISTA CK 等公司还生产有多种其它的焊接板式换热器 。除了全焊接板式换热器, 还有多种类型的半焊接板式换热器( 如ALFA-LAVAL 公司生产的半焊接板式换热器)。国内也有一些生产厂生产焊接板式换热器; 还有一些具有专利技术的焊接板式换热器, 例如中国专利ZL 91202623 和ZL 95230391 所介绍的焊接板式换热器。在旧装置改造和新装置建造中, 推广使用各类焊接板式换热器可实现节能降耗的目的, 取得明显的经济效益。随着焊接板式换热器结构的发展和制造技术的进步, 以及节能、节材的需要, 焊接板式换热器在石油化工等行业的应用将一定是越来越广泛的[10-17]。

三 研究方案： 1.课题研究内容 本次实验中，不锈钢板式换热器焊接接头的组织及力学性能的研究，主要是要求焊接后的接头要能够有较好的力学性能及耐蚀性能。由于不同的母材具有不同的相组织分布，这就使焊接具有一定的难度。然而，研究不锈钢板式换热器焊接接头组织分析及其力学性能的分析，需要掌握研究的步骤及相关知识。将不锈钢制成的换热器片进行处理，换句话说，将其通过线切割切成不同编号处的小块，分类处理后，通过做晶相实验（砂纸打磨、抛光、腐蚀等方式制备晶相试样，运用OM等分析手段，观察接头及热影响区腐蚀前后的组织结构）及其拉伸实验，对不锈钢板式换热器焊接接头进行晶相分析，观察焊缝接头相的组成及分布，找出焊缝组织分布的规律。观察焊接接头的宏观组织及焊接缺陷，和焊缝、热影响区及母材的各种典型结晶形态，掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化，研究不锈钢板式换热器的抗腐蚀性能，并对焊接接头处的拉伸强度的数据作出分析，研究其抗拉强度，分析得出结论。 2.研究方法及过程 欲将焊接好的不锈钢板式换热器片用线切割切样，磨样，抛光，采用FeCl3（三氯化铁）＋HCl（盐酸）水溶液[18-19]进行腐蚀，在电子显微镜下观察焊接接头组织，并拍照。拉伸试样在电子式万能试验机上做拉伸实验，测得其抗拉强度，并观察试样的断裂位置。结合组织图，测得的数据及试样的断裂位置分析切样、磨样、抛光、观察焊接接头焊缝和热影响区（HAZ）组织晶相、拍照，测试力学性能等，进行组织分析、实验数据对比，得出相关结论。 其中，将焊接好的不锈钢板式换热器片用线切割切样，采用FeCl3（三氯化铁）＋HCl（盐酸）水溶液进行腐蚀。拉伸试样在电子式万能试验机上做拉伸实验，测得其抗拉强度。对组织相图的对比分析，力学数据的对比分析，拉伸曲线图的分析，