板式换热器冷冲压波纹板片热处理工艺研究

制造与安装

板式换热器冷冲压波纹板片热处理工艺研究

孙海生1，2，常春梅1，2，姬平如1，2

（1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州730070；2.上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海201518）

板式换热器传热元件是通过油压机冷冲压而成的不锈钢波纹板片，奥氏体不锈钢板片冷冲压后存在残余应力并且易产生形变马氏体组织，耐腐蚀性能下降。对厚度1mm的321奥氏体不锈钢冷冲压波纹板片进行取样开展热处理试验，研究发现，在1050℃下保温5 min后进行水冷或风冷可以消除残余应力与恢复等轴的奥氏体组织，最后对工业实际开展板片热处理工艺中可能遇到的难题进行探讨。

板式换热器；冷冲压；波纹板片；热处理；形变马氏体

0　引言

板式换热器具有紧凑、重量轻等特点，完成相同的换热量热负荷，板式换热器的换热面积通常仅为管壳式换热器的1/3～1/4［1］，因此在石油、化工、供热和可再生能源等方面，板式换热器得到广泛应用［2-3］。板式换热器的传热元件主要为奥氏体不锈钢板片（一般厚度为0.6～1.1mm）通过冷冲压而成的波纹板，冲压后的波纹具有增加湍流流动的作用，进而提高换热系数。然而冲压后的波纹板片一般不经过任何热处理，较高的残余应力和形变诱发形成的形变马氏体等组织往往是导致设备过早发生失效的主要原因［4-7］。为减少腐蚀失效的发生，探究采取热处理工艺的可能性，利用热处理工艺消除残余应力和恢复金相组织，目前，国内外很少有学者进行板式换热器用冷冲压波纹板片热处理方面研究，本文进行一些探究。

1　试样制备

油压机冷冲压厚度1mm的321奥氏体不锈钢板片，冲压后用线切割方法在波纹板片上相邻部位取样，如图1所示。

图1　冷冲压321不锈钢板片

一般情况下奥氏体不锈钢推荐在1050～1100℃下保温1 h左右，而板式换热器用不锈钢波纹板片厚度通常在0.6～1.0mm，由于板片很薄，故热处理保温时间可以大大缩减，因此热处理工艺曲线与常规的奥氏体不锈钢热处理工艺曲线有所不同。试验采用冷冲压321奥氏体不锈钢波纹板片，在1050℃温度下保温一段时间，然后分别进行水冷或风冷，具体热处理工艺曲线如图2所示。试验采用的保温时间n，分为2，3，4，5，6 min几种等级，加热炉炉膛温度最初加热升温至1000℃并保持恒温，板片直接送入此温度下，在1 min内升至1050℃，图2保温图所示的n min分别进行风冷或水冷。

图2　板片热处理工艺曲线

取样编号和试样热处理情况如表1所示。每个试样做两组。

表1　试样热处理情况与取样编号

按照表1编号与热处理的情况，解释说明如下:编号为1-1的波纹板片在1050℃下保温2 min后进行水冷；编号为1-2的波纹板片在1050℃下保温2 min后进行风冷。

2　金相组织观察

制备金相试样采用树脂冷镶嵌的方法，在800，1000，1200，2000粒度砂纸下研磨后，采用草酸电解的侵蚀方法侵蚀金相组织，最后在金相显微镜下、放大200倍观察金相组织，冷镶嵌试样和金相显微镜观察的部位见图3（如箭头所示）。几种热处理工艺下板片的金相组织如图4所示。

图3　树脂冷镶嵌金相试样

图4　金相组织图

图4（a）为未进行冷冲压也未进行热处理的原板，从图中可看到一定的冷加工痕迹，固溶退火供货态的板材固溶处理不完全。图4（b）为冷冲压后、但未进行热处理的波纹板片，从图中可看到明显的冷加工痕迹，这种冷轧痕迹系板片加工硬化所致，与残余应力存在一定的联系［8］。国内外对板片在不同拉伸变形率和板片不同冷轧减薄率方面诱发形变马氏体组织含量探究理论方面研究很多［9-12］，对于工业用波纹板片冷冲压形成马氏体组织方面的研究还非常少，有学者指出［13-14］，形变马氏体的产生是诱发局部腐蚀的主要原因。试验发现，321不锈钢冲压波纹板片在热处理1050℃，5 min，水冷或风冷下可以消除残余应力和形变马氏体组织。通过几组金相组织对比，发现热处理冷却方式采用风冷或水冷差别不大。

3　分析与讨论

通过观察图4所示的金相组织发现，虽然随着热处理保温时间的延长，晶粒会发生一定程度长大，但晶粒长大对耐腐蚀性能影响不大［15］，通过热处理方式可以消除冷加工造成的残余应力和形变马氏体组织。热处理试验过程中，试样并不是随热处理炉温度从室温升至1050℃，而是加热炉预先升温至1000℃ 并保持恒温，板片直接送入此温度下，在1 min内升至1050℃，这样可以避开奥氏体不锈钢敏化温度区间，短时热处理，减少板片变形。

需要说明的是，奥氏体不锈钢板片的具体热处理工艺应当与热处理前供应冷加工板片的冷加工状态有关，即:选择奥氏体不锈钢板片的材质、厚度、压制的波纹深度、油压机压制力和压制板片波纹形状等参数有关，实际工业产品制造过程中采取的热处理工艺还需进一步具体研究。文献［6］中针对316L板片腐蚀穿孔的防护措施时，给出采用钛板片以提高耐腐蚀性能的方案，但钛板片强度低，故承压性能较316L不锈钢低，并且用钛板片制造设备的成本大大增加；相反，若在奥氏体不锈钢板片冷冲压增加板片后续的热处理工艺，虽然会增加一定的成本，但相比直接采用钛板片等措施则还具有一定的优势。

4　结语

本文对321奥氏体不锈钢冷冲压波纹板进行热处理试验，研究发现，可以通过热处理工艺消除残余应力和恢复奥氏体组织。由于300奥氏体不锈钢具有一定的组织和性能相似性，其他300系列的奥氏体不锈钢（304L，304，316，316L）冷冲压波纹板片亦可以通过热处理工艺对组织性能方面进行一定的改善。板式换热器板片很薄，短时高温热处理预防氧化可以采用光亮化退火处理工艺加以解决，但板片热处理过程中是否会发生工程中不允许的较大局部热变形还需研究。

［1］杨崇麟.板式换热器工程设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1998.

［2］程宝华，李先瑞.板式换热器及换热装置技术应用手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［3］朱冬生，王延香，郭新超，等.栅板式换热器的传热性能研究［J］.流体机械，2012，40（8）:5-12.

［4］李希会.用于30%NaOH板式换热器失效分析及改进［J］.石油化工设备，2004，33（4）:74-75.

［5］陈元龙.不锈钢板式换热器失效分析［J］.全面腐蚀控制，1999，13（2）:42-44.

［6］喻红梅，张礼敬，凌祥.板式换热器板片的失效分析［J］.南京化工大学学报，2001，23（1）:58-60.

［7］孔文彬，马小明，江楠.板式换热器板片失效分析［J］.压力容器，2011，28（9）:42-46.

［8］天华化工机械及自动化研究设计院.腐蚀与防护手册第1卷:腐蚀理论、试验及监测［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［9］马其坤.不锈钢拉伸变形量与马氏体转变的关系［J］.石油化工设备，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，许淳淳，欧阳维真，等.奥氏体不锈钢的马氏体相变对耐蚀性的影响［J］.北京化工大学学报，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

孙海生（1986-），男，助理工程师，主要从事板式换热器设计研发与失效分析工作，通信地址:201518上海市金山区吕巷镇荣昌路505号上海蓝滨石化设备有限责任公司，E-mail:sunhaisheng1986@126.com。