一種新型雙相不銹鋼成型可拆板式熱交換器板片的研究

楊進(jìn)納 何海瀾 王 森 李春蘭

(1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司；2.蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司)

可拆板式熱交換器由于結(jié)構(gòu)緊湊及高效等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于能源、化工、采暖、核電、船舶、造紙、食品及冶金等行業(yè)，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，一些特殊工況對(duì)換熱器的要求也越來越高，如換熱器的耐壓能力及耐腐蝕性能等，這就需要通過換熱器工藝改進(jìn)及材料的選用等方面來實(shí)現(xiàn)。雙相不銹鋼具有較高的強(qiáng)度以及較好的耐應(yīng)力腐蝕開裂等性能，可用于板式熱交換器，但對(duì)于可拆板式熱交換器，由于其換熱板片的波紋復(fù)雜，對(duì)材料的塑形要求較高，而常用雙相不銹鋼(如2205雙相不銹鋼)成型性能較差，雖然有人經(jīng)研究得出，使用2205雙相不銹鋼成型板式熱交換器板片是可行的[1]，但要成型出合格的0.4～0.7mm厚的常用可拆板式熱交換器板片仍存在較大困難，所以目前普通雙相不銹鋼難以應(yīng)用到可拆板式熱交換器，筆者通過試驗(yàn)壓制一種新型雙相不銹鋼換熱板片并檢驗(yàn)其成型效果。

1 幾種不銹鋼的主要性能特點(diǎn)對(duì)比

雙相不銹鋼兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，它將奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良韌性和焊接性與鐵素體不銹鋼所具有的較高強(qiáng)度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能結(jié)合在一起[2]。與普通的奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼主要有機(jī)械強(qiáng)度高、耐應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞的性能優(yōu)異[3]、耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能良好、耐磨蝕和耐沖蝕性能良好、延伸率較低的特點(diǎn)。但是由于普通雙相不銹鋼的成型性能較差，難以壓制出合格的可拆板式熱交換器板片，所以需要尋找一種新型雙相不銹鋼來壓制適用于可拆板式熱交換器的換熱板片，以提高可拆板式熱交換器的耐腐蝕性、承壓能力，進(jìn)而使其應(yīng)用到一些工況條件較為苛刻的場(chǎng)合。

某公司最新研發(fā)出了一種新型雙相不銹鋼，其價(jià)格比316L奧氏體不銹鋼略低，可降低換熱器的生產(chǎn)成本，筆者對(duì)新型雙相不銹鋼、2205雙相不銹鋼和316L奧氏體不銹鋼3種材料進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比，結(jié)果見表1。

由表1可以看出，新型雙相不銹鋼與2205雙相不銹鋼相比屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度低，屈強(qiáng)比小，延伸率高；與316L奧氏體不銹鋼相比強(qiáng)度、耐蝕性和耐磨性更高。屈強(qiáng)比、延伸率是判斷板材沖壓性能的兩個(gè)主要指標(biāo)，較小的屈強(qiáng)比幾乎對(duì)所有的沖壓成型都是有利的[4]，而延伸率也反映材料的伸長(zhǎng)類變形性能，由此判斷，新型雙相不銹鋼應(yīng)該比2205雙相不銹鋼容易成型，筆者將通過此次成型試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 3種材料的主要力學(xué)性能(樣品實(shí)測(cè)值)

2 雙相鋼成型性能試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)對(duì)新型雙相不銹鋼、2205雙相不銹鋼和316L奧氏體不銹鋼進(jìn)行壓制成型，成型后檢測(cè)其波紋深度，在板片波紋深度符合要求的情況下進(jìn)行成型效果檢測(cè)，通過對(duì)比各不銹鋼的成型效果評(píng)估新型雙相不銹鋼的成型性能。

2.2試驗(yàn)材料和模具的選擇

試驗(yàn)選用厚度為0.6mm、尺寸為1000mm×400mm的新型雙相不銹鋼和2205板料各3張，且經(jīng)檢測(cè)板料均無劃傷及沙孔等缺陷；潤(rùn)滑用PVC膜6張。選用適合于雙相不銹鋼板片成型的3套(板型1、板型2、板型3)在生產(chǎn)中成型效果較好、成型穩(wěn)定性較高的板型模具，且3種板型波紋深度、波紋形狀、板型結(jié)構(gòu)均不相同。

2.3板片的成型工藝條件

3種不銹鋼薄板的壓制成型都采用可拆板式熱交換器板片常用的壓制成型工藝(表2)。

表2 3種不銹鋼成型條件

2.4檢測(cè)方法和測(cè)量?jī)x器

按常規(guī)的壓型工藝對(duì)新型雙相不銹鋼、2205雙相不銹鋼和316L奧氏體不銹鋼板料進(jìn)行壓制成型，后經(jīng)目測(cè)宏觀破裂(或縮頸)、100%滲透檢測(cè)、波紋深度尺寸偏差和減薄量檢測(cè)對(duì)成型后的板片進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)儀器及材料包括放大鏡、滲透檢測(cè)試劑、百分表及千分尺等。

3 試驗(yàn)成型效果分析

3.12205雙相不銹鋼板片成型情況

3張2205雙相不銹鋼板片壓制成板型1后，成型效果基本一致，都出現(xiàn)大面積破裂，如圖1所示。這些裂紋幾乎遍布整個(gè)板片，破裂主要發(fā)生在板片端頭和主換熱區(qū)的波紋圓角處。這說明2205雙相不銹鋼薄板成型性能較差，難以成型出可拆板式熱交換器板片。

圖1 2205雙相不銹鋼板片成型效果

3.2新型雙相不銹鋼和316L奧氏體不銹鋼成型情況

3.2.1裂紋檢測(cè)

新型雙相不銹鋼板片和316L奧氏體不銹鋼壓制成3種板型后，在目測(cè)沒有發(fā)現(xiàn)穿透性裂紋的情況下，進(jìn)行了100%滲透檢測(cè)，各板型均未出現(xiàn)穿透性裂紋和表面微裂紋。

3.2.2波紋深度尺寸檢測(cè)

利用百分表對(duì)新型雙相不銹鋼和316L奧氏體不銹鋼兩種不銹鋼的3個(gè)板型板片的其中一張進(jìn)行了波紋深度檢測(cè)，每張被測(cè)板片隨機(jī)選取8個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)和偏差見表3、4。3種板型的波紋深度和偏差要求分別為：3.60±0.10mm、3.20±0.10mm、3.80±0.15mm，由表3、4可知，所壓制板片的波紋深度偏差均在允許的偏差范圍之內(nèi)。

表3 新型雙相不銹鋼板片成型后波紋深度值 mm

表4 316L奧氏體不銹鋼板片成型后波紋深度值 mm

3.2.3減薄量檢測(cè)

對(duì)檢測(cè)完波紋深度的板片進(jìn)行減薄量測(cè)量，各取9個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種材料成型后減薄量對(duì)比

對(duì)于相同的測(cè)點(diǎn)，新型雙相不銹鋼的減薄量均略大于316L奧氏體不銹鋼的，說明其成型效果比316L奧氏體不銹鋼略差。同時(shí)新型雙相不銹鋼除了個(gè)別測(cè)點(diǎn)減薄量略大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的25%外，其余測(cè)點(diǎn)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說明該新型雙相不銹鋼成型性能已經(jīng)基本達(dá)到了可拆板式熱交換器的成型要求，對(duì)于個(gè)別測(cè)點(diǎn)減薄量略大于25%的問題，通過模具的簡(jiǎn)單處理或者結(jié)構(gòu)的調(diào)整都可以解決。

4 結(jié)束語

經(jīng)試驗(yàn)證明，新型雙相不銹鋼在相同的壓制條件下，雖然其成型效果比316L奧氏體不銹鋼略差，但并沒有出現(xiàn)穿透性裂紋，其整體成型效果已基本符合可拆板式熱交換器板片的成型要求。而2205雙相不銹鋼成型后破裂嚴(yán)重，由此說明，該新型雙相不銹鋼的成型性能明顯好于2205雙相不銹鋼，而且通過對(duì)新型雙相不銹鋼成型工藝的調(diào)整，可以生產(chǎn)出合格的可拆板式熱交換器板片，從而在提高其承壓性能和耐腐蝕性能的同時(shí)降低生產(chǎn)成本。

[1] Ramin M，李官，Andress L，等.雙相不銹鋼在苛刻加工中的成型——以CAE為基礎(chǔ)的產(chǎn)品研發(fā)[C].2012年第四屆中國(guó)國(guó)際雙相不銹鋼大會(huì).北京：中國(guó)特鋼企業(yè)協(xié)會(huì)不銹鋼分會(huì)，2012：147～154.

[2] 康利梅.雙相不銹鋼的發(fā)展及應(yīng)用綜述[J].科技廣場(chǎng)，2010，(8)：165～168.

[3] 馬毓華.雙相不銹鋼的性能與應(yīng)用[J].甘肅科技，2004，20(10)：49～51.

[4] 羅益旋.最新沖壓新工藝、新技術(shù)及模具設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].吉林：吉林出版發(fā)行集團(tuán)，2004.