激光圈焊技术在板式降膜蒸发器加热板片制造中的应用

赵云松 胡海军 张 丹

(上海神农节能环保装备有限公司，上海，201300)

板式降膜蒸发器作为一种先进的降膜蒸发设备，于1987年在国内研发成功，这些年来，板式降膜蒸发器以它特有的性能，在制浆造纸、氧化铝、食品行业得到了广泛应用，取得了良好的经济效益及社会效益。

板式降膜蒸发器中的关键元件——加热板片最初采用的是点焊生产工艺，此工艺一直延续至今。除了传统的点焊技术，国外还广泛采用激光圈焊技术来生产这种加热板片，主要用于各类换热器设备、蜂窝夹套等。宁波象山某厂在21世纪初已采用激光圈焊技术制造啤酒发酵罐、食品化工加热器、反应釜等设备。安德里茨公司现在也采用激光圈焊技术生产加热板片，并在湛江晨鸣纸厂的蒸发站上首次使用。

上海神农节能环保装备有限公司于2012年引入世界领先的全自动激光圈焊机，并首次将激光圈焊技术用于板式降膜蒸发器加热板片的制造，目前最大可以生产1800 mm×12000 mm的加热板片，满足大型板式降膜蒸发器的制造需要。本文介绍了激光圈焊技术在板式降膜蒸发器加热板片制造中的应用。

1 板式降膜蒸发器的工作原理

板式降膜蒸发器主要由板片组、分配器、除沫器和外壳等组成，其结构示意图见图1。

(1)板片组。板片组由若干张加热板片组成，每张加热板片由两张不锈钢薄钢板经焊接、鼓压成形等工艺制成。工作时蒸汽在板腔内流动并冷凝放出热量;溶液在板片外呈膜状向下流动，同时吸收热量而蒸发。

(2)分配器。分配器的作用是将一定量的循环溶液均匀、稳定地分配到每一张加热板片上。

(3)除沫器。除沫器的作用是对二次蒸汽中夹带的雾沫进行分离。

(4)循环泵。循环泵提供足够的溶液循环，满足板片表面均匀布膜所需。

2 板式降膜蒸发器的主要特点

板式降膜蒸发器的最大特点为加热面表面凹凸及板外液膜蒸发，具体如下:

(1)加热板片特殊的凹凸表面，非常有利于易结垢液体的浓缩。

·液膜在板片表面的流速及流向不断变化，强化了传热，并且液膜不断地再分配，使布膜更均匀，不易结垢。

·液膜的冲刷及板片的微量变形，促使了板片结垢的剥落。

·板外即使有结垢，也使除垢工作变得简单，清洗时间短。

(2)根据不同料液性质，差别化设计各效的分配器，确保溶液均匀分布到所有板片并不易堵塞，形成均匀一致的液膜。

(3)特殊设计的除沫器装置，将二次蒸汽的雾沫夹带降到最低。汽室经过优化设计，以获得二次蒸汽通过除沫器时的最佳汽流分布。

(4)如果溶液含有不凝结气体包括硫化氢气体，则板片可以采用自汽提设计，将不同效内二次冷凝水进行轻浊分流，满足工厂对轻、浊冷凝水回用或外排处理的不同要求。

(5)用弹性支座安装循环泵，从而避免在循环管上设置膨胀节 (膨胀节常常会导致泄漏和固形物结垢堵塞)。

3 加热板片的强度计算

加热板片是板式降膜蒸发器的核心组件，它的设计及制造质量直接影响设备的使用寿命及使用效果。

为确保加热板片的承压能力，每张板片均匀分布了大量连接点，通常情况下，这些连接点按棱形布置，如图2所示。

假设:

B1为长度方向点焊间距，mm;

B2为宽度方向点焊间距，mm;

D为点焊溶核或激光圈焊圆的直径，mm;

T为板片板厚，mm;

［σ］为设计温度条件下材料许用应力，对SS304材质，按137MPa计;

η为焊接接头系数，按0.6计。

如图2所示，在板片上取一个区域，每个连接点承受的拉力等于内压对该区域的作用力，并且假设板片破坏形式是连接点外圆母材撕裂破坏，由此可以推导出板片的许用压力P(MPa):

图2 板片焊点布置示图

以目前常用的连接点布置间距及板厚进行计算，结果见表1。

表1 连接点布置间距及板厚计算结果

表2 激光圈焊板片与点焊板片的对比

4 激光圈焊与点焊的技术对比

点焊是用两电极将两张薄钢板压紧，并施加一定电流，使两板接触部分发热并熔化，形成熔核。通常情况下，在焊接条件良好情况下，熔核直径在5～7 mm。

激光圈焊采用的是激光叠加焊，首先将两张薄钢叠加在一起并压紧，然后激光束在板表面焊一个圈焊，焊缝的熔深超过单张板厚但又小于两张板厚，从而将两张钢板连接在一起。焊圈的直径相当于点焊板片的溶核直径，圈焊直径与焊接工艺无关，由设计者根据工艺计算确定。

激光圈焊板片与点焊板片的主要对比见表2。

5 结论

5.1 通过合理设计圈焊直径及圈焊间距，即使采用较薄的钢板，也能设计出承压能力远超点焊技术生产的板片，这一方面降低了设备成本，另一方面也有利于传热。

5.2 对于板式蒸发器的后几效蒸发器，由于压力不高，设计时可以采用较薄板，采用较大焊圈直径设计，保证板片受力的同时，适当减少焊圈分布密度，这样可以减少板片内蒸汽流动阻力，减少温差损失。

总之，激光圈焊技术的引入，为加热板片的设计和生产注入了新的活力，可大大拓展加热板片的应用范围。在满足工况的条件下，通过优化设计，可以减少钢材厚度，从而节约大量金属资源，这在资源日趋匮乏的今天，具有重要意义。

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