板式換熱器冷沖壓波紋板片熱處理工藝研究

制造與安裝

板式換熱器冷沖壓波紋板片熱處理工藝研究

孫海生1，2，常春梅1，2，姬平如1，2

（1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州730070；2.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海201518）

板式換熱器傳熱元件是通過油壓機(jī)冷沖壓而成的不銹鋼波紋板片，奧氏體不銹鋼板片冷沖壓后存在殘余應(yīng)力并且易產(chǎn)生形變馬氏體組織，耐腐蝕性能下降。對厚度1mm的321奧氏體不銹鋼冷沖壓波紋板片進(jìn)行取樣開展熱處理試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，在1050℃下保溫5 min后進(jìn)行水冷或風(fēng)冷可以消除殘余應(yīng)力與恢復(fù)等軸的奧氏體組織，最后對工業(yè)實(shí)際開展板片熱處理工藝中可能遇到的難題進(jìn)行探討。

板式換熱器；冷沖壓；波紋板片；熱處理；形變馬氏體

0　引言

板式換熱器具有緊湊、重量輕等特點(diǎn)，完成相同的換熱量熱負(fù)荷，板式換熱器的換熱面積通常僅為管殼式換熱器的1/3～1/4［1］，因此在石油、化工、供熱和可再生能源等方面，板式換熱器得到廣泛應(yīng)用［2-3］。板式換熱器的傳熱元件主要為奧氏體不銹鋼板片（一般厚度為0.6～1.1mm）通過冷沖壓而成的波紋板，沖壓后的波紋具有增加湍流流動的作用，進(jìn)而提高換熱系數(shù)。然而沖壓后的波紋板片一般不經(jīng)過任何熱處理，較高的殘余應(yīng)力和形變誘發(fā)形成的形變馬氏體等組織往往是導(dǎo)致設(shè)備過早發(fā)生失效的主要原因［4-7］。為減少腐蝕失效的發(fā)生，探究采取熱處理工藝的可能性，利用熱處理工藝消除殘余應(yīng)力和恢復(fù)金相組織，目前，國內(nèi)外很少有學(xué)者進(jìn)行板式換熱器用冷沖壓波紋板片熱處理方面研究，本文進(jìn)行一些探究。

1　試樣制備

油壓機(jī)冷沖壓厚度1mm的321奧氏體不銹鋼板片，沖壓后用線切割方法在波紋板片上相鄰部位取樣，如圖1所示。

圖1　冷沖壓321不銹鋼板片

一般情況下奧氏體不銹鋼推薦在1050～1100℃下保溫1 h左右，而板式換熱器用不銹鋼波紋板片厚度通常在0.6～1.0mm，由于板片很薄，故熱處理保溫時間可以大大縮減，因此熱處理工藝曲線與常規(guī)的奧氏體不銹鋼熱處理工藝曲線有所不同。試驗(yàn)采用冷沖壓321奧氏體不銹鋼波紋板片，在1050℃溫度下保溫一段時間，然后分別進(jìn)行水冷或風(fēng)冷，具體熱處理工藝曲線如圖2所示。試驗(yàn)采用的保溫時間n，分為2，3，4，5，6 min幾種等級，加熱爐爐膛溫度最初加熱升溫至1000℃并保持恒溫，板片直接送入此溫度下，在1 min內(nèi)升至1050℃，圖2保溫圖所示的n min分別進(jìn)行風(fēng)冷或水冷。

圖2　板片熱處理工藝曲線

取樣編號和試樣熱處理情況如表1所示。每個試樣做兩組。

表1　試樣熱處理情況與取樣編號

按照表1編號與熱處理的情況，解釋說明如下:編號為1-1的波紋板片在1050℃下保溫2 min后進(jìn)行水冷；編號為1-2的波紋板片在1050℃下保溫2 min后進(jìn)行風(fēng)冷。

2　金相組織觀察

制備金相試樣采用樹脂冷鑲嵌的方法，在800，1000，1200，2000粒度砂紙下研磨后，采用草酸電解的侵蝕方法侵蝕金相組織，最后在金相顯微鏡下、放大200倍觀察金相組織，冷鑲嵌試樣和金相顯微鏡觀察的部位見圖3（如箭頭所示）。幾種熱處理工藝下板片的金相組織如圖4所示。

圖3　樹脂冷鑲嵌金相試樣

圖4　金相組織圖

圖4（a）為未進(jìn)行冷沖壓也未進(jìn)行熱處理的原板，從圖中可看到一定的冷加工痕跡，固溶退火供貨態(tài)的板材固溶處理不完全。圖4（b）為冷沖壓后、但未進(jìn)行熱處理的波紋板片，從圖中可看到明顯的冷加工痕跡，這種冷軋痕跡系板片加工硬化所致，與殘余應(yīng)力存在一定的聯(lián)系［8］。國內(nèi)外對板片在不同拉伸變形率和板片不同冷軋減薄率方面誘發(fā)形變馬氏體組織含量探究理論方面研究很多［9-12］，對于工業(yè)用波紋板片冷沖壓形成馬氏體組織方面的研究還非常少，有學(xué)者指出［13-14］，形變馬氏體的產(chǎn)生是誘發(fā)局部腐蝕的主要原因。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，321不銹鋼沖壓波紋板片在熱處理1050℃，5 min，水冷或風(fēng)冷下可以消除殘余應(yīng)力和形變馬氏體組織。通過幾組金相組織對比，發(fā)現(xiàn)熱處理冷卻方式采用風(fēng)冷或水冷差別不大。

3　分析與討論

通過觀察圖4所示的金相組織發(fā)現(xiàn)，雖然隨著熱處理保溫時間的延長，晶粒會發(fā)生一定程度長大，但晶粒長大對耐腐蝕性能影響不大［15］，通過熱處理方式可以消除冷加工造成的殘余應(yīng)力和形變馬氏體組織。熱處理試驗(yàn)過程中，試樣并不是隨熱處理爐溫度從室溫升至1050℃，而是加熱爐預(yù)先升溫至1000℃ 并保持恒溫，板片直接送入此溫度下，在1 min內(nèi)升至1050℃，這樣可以避開奧氏體不銹鋼敏化溫度區(qū)間，短時熱處理，減少板片變形。

需要說明的是，奧氏體不銹鋼板片的具體熱處理工藝應(yīng)當(dāng)與熱處理前供應(yīng)冷加工板片的冷加工狀態(tài)有關(guān)，即:選擇奧氏體不銹鋼板片的材質(zhì)、厚度、壓制的波紋深度、油壓機(jī)壓制力和壓制板片波紋形狀等參數(shù)有關(guān)，實(shí)際工業(yè)產(chǎn)品制造過程中采取的熱處理工藝還需進(jìn)一步具體研究。文獻(xiàn)［6］中針對316L板片腐蝕穿孔的防護(hù)措施時，給出采用鈦板片以提高耐腐蝕性能的方案，但鈦板片強(qiáng)度低，故承壓性能較316L不銹鋼低，并且用鈦板片制造設(shè)備的成本大大增加；相反，若在奧氏體不銹鋼板片冷沖壓增加板片后續(xù)的熱處理工藝，雖然會增加一定的成本，但相比直接采用鈦板片等措施則還具有一定的優(yōu)勢。

4　結(jié)語

本文對321奧氏體不銹鋼冷沖壓波紋板進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，可以通過熱處理工藝消除殘余應(yīng)力和恢復(fù)奧氏體組織。由于300奧氏體不銹鋼具有一定的組織和性能相似性，其他300系列的奧氏體不銹鋼（304L，304，316，316L）冷沖壓波紋板片亦可以通過熱處理工藝對組織性能方面進(jìn)行一定的改善。板式換熱器板片很薄，短時高溫?zé)崽幚眍A(yù)防氧化可以采用光亮化退火處理工藝加以解決，但板片熱處理過程中是否會發(fā)生工程中不允許的較大局部熱變形還需研究。

［1］楊崇麟.板式換熱器工程設(shè)計手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］程寶華，李先瑞.板式換熱器及換熱裝置技術(shù)應(yīng)用手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］朱冬生，王延香，郭新超，等.柵板式換熱器的傳熱性能研究［J］.流體機(jī)械，2012，40（8）:5-12.

［4］李希會.用于30%NaOH板式換熱器失效分析及改進(jìn)［J］.石油化工設(shè)備，2004，33（4）:74-75.

［5］陳元龍.不銹鋼板式換熱器失效分析［J］.全面腐蝕控制，1999，13（2）:42-44.

［6］喻紅梅，張禮敬，凌祥.板式換熱器板片的失效分析［J］.南京化工大學(xué)學(xué)報，2001，23（1）:58-60.

［7］孔文彬，馬小明，江楠.板式換熱器板片失效分析［J］.壓力容器，2011，28（9）:42-46.

［8］天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院.腐蝕與防護(hù)手冊第1卷:腐蝕理論、試驗(yàn)及監(jiān)測［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［9］馬其坤.不銹鋼拉伸變形量與馬氏體轉(zhuǎn)變的關(guān)系［J］.石油化工設(shè)備，2015，44（2）:22-26.

［10］De A K，Murdock D C，Mataya M C，et al.Quantitativemeasure of deformation-inducedmartensite in 304 stainless steelby X-ray diffraction［J］.Scripta Materialia，2004，50（12）:1445-1449.

［11］Hausild P，Davydov V.Characterization of straininduced martensitic transformation in a metastable austenitic stainless steel［J］.Materials and Design，2010，31（11）:1821-1827.

［12］Ali Hedayati，Abbas Najafizadeh，Ahmad Kermanpur. The effectof cold rolling regime onmicrostructure and mechanical properties of AISI 304L stainless steel［J］.Journal of Materials Processing Technology，2010，210（2）:1017-1022.

［13］徐瑞芬，許淳淳，歐陽維真，等.奧氏體不銹鋼的馬氏體相變對耐蝕性的影響［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報，1998，25（2）:57-63.

［14］Cigada A，Mazza B，Pedeferri P，et al.Stress corrosion cracking of cold-working austenitic stainless steels［J］.Corrosion Science，1982，22（6）:558-578.

［15］Abbasi Aghuy A，ZakeriM，Moayed M H，etal.Effect of grain size on pitting corrosion of 304L austenitic stainless steel［J］.Corrosion Science，2015，94（5）: 368-376.

Heat Treatment Process Research on Plate Heat Exchanger Cold Stam ped Corrugated Plate

SUN Hai-sheng1，2，CHANG Chun-mei1，2，JIPing-ru1，2
（1.Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China；2.Shanghai LanBin Petrochemical Equipment Co.，Ltd.，Shanghai201518，China）

Stainless steel corrugated plates as plate heat exchanger heat transfer components were processed through cold stamping by oil press.Therewas residual stress in stamped plates after cold stamping，which induced deformation martensite structure.Sampling from 1mm thick 321 austenitic stainless steel corrugated plates and carrying out heat treatment tests，the study was found that under 1050℃ holding 5 min then heatwater or air cooling could eliminate residual stress and restore the equiaxial austenite crystal grain organization，finally plate heat treatment processmay encountering problems were discussed in the following actual industry.

plate heat exchanger；cold stamping；corrugated plate；heat treatment；deformation martensite

TH49；TE965；TG156.9

A

1001-4837（2015）11-0075-05

10.3969/j.issn.1001-4837.2015.11.013

2015-07-15

2015-09-21

孫海生（1986-），男，助理工程師，主要從事板式換熱器設(shè)計研發(fā)與失效分析工作，通信地址:201518上海市金山區(qū)呂巷鎮(zhèn)榮昌路505號上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，E-mail:sunhaisheng1986@126.com。