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.蘭州蘭石換熱設備有限責任公司)

可拆板式熱交換器由于結構緊湊及高效等特點已廣泛應用于能源、化工、采暖、核電、船舶、造紙、食品及冶金等行業，隨著工業技術的發展，一些特殊工況對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及材料的選用等方面來實現。雙相不銹鋼具有較高的強度以及較好的耐應力腐蝕開裂等性能，可用于板式熱交換器，但對于可拆板式熱交換器，由于其換熱板片的波紋復雜，對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用到可拆板式熱交換器，筆者通過試驗壓制一種新型雙相不銹鋼換熱板片并檢驗其成型效果。

1 幾種不銹鋼的主要性能特點對比

雙相不銹鋼兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優點，它將奧氏體不銹鋼所具有的優良韌性和焊接性與鐵素體不銹鋼所具有的較高強度和耐氯化物應力腐蝕性能結合在一起[2]。與普通的奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼主要有機械強度高、耐應力腐蝕開裂和腐蝕疲勞的性能優異[3]、耐點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。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，進而使其應用到一些工況條件較為苛刻的場合。

某公司最新研發出了一種新型雙相不銹鋼，其價格比316L奧氏體不銹鋼略低，可降低換熱器的生產成本，筆者對新型雙相不銹鋼、2205雙相不銹鋼和316L奧氏體不銹鋼3種材料進行力學性能對比，結果見表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度、抗拉強度低，屈強比小，延伸率高；與316L奧氏體不銹鋼相比強度、耐蝕性和耐磨性更高。屈強比、延伸率是判斷板材沖壓性能的兩個主要指標，較小的屈強比幾乎對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類變形性能，由此判斷，新型雙相不銹鋼應該比2205雙相不銹鋼容易成型，筆者將通過此次成型試驗來進行驗證。

表1 3種材料的主要力學性能(樣品實測值)

2 雙相鋼成型性能試驗

2.1試驗設計

試驗對新型雙相不銹鋼、2205雙相不銹鋼和316L奧氏體不銹鋼進行壓制成型，成型后檢測其波紋深度，在板片波紋深度符合要求的情況下進行成型效果檢測，通過對比各不銹鋼的成型效果評估新型雙相不銹鋼的成型性能。

2.2試驗材料和模具的選擇

試驗選用厚度為0.6mm、尺寸為1000mm×400mm的新型雙相不銹鋼和2205板料各3張，且經檢測板料均無劃傷及沙孔等缺陷；潤滑用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)在生產中成型效果較好、成型穩定性較高的板型模具，且3種板型波紋深度、波紋形狀、板型結構均不相同。

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檢測方法和測量儀器

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

3 試驗成型效果分析

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，都出現大面積破裂，如圖1所示。這些裂紋幾乎遍布整個板片，破裂主要發生在板片端頭和主換熱區的波紋圓角處。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

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，在目測沒有發現穿透性裂紋的情況下，進行了100%滲透檢測，各板型均未出現穿透性裂紋和表面微裂紋。

3.2.2波紋深度尺寸檢測

利用百分表對新型雙相不銹鋼和316L奧氏體不銹鋼兩種不銹鋼的3個板型板片的其中一張進行了波紋深度檢測，每張被測板片隨機選取8個檢測點，數據和偏差見表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。

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

對檢測完波紋深度的板片進行減薄量測量，各取9個測點，測量結果如圖2所示。

圖2 兩種材料成型后減薄量對比

對于相同的測點，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。同時新型雙相不銹鋼除了個別測點減薄量略大于標準規定的25%外，其余測點均符合標準要求，說明該新型雙相不銹鋼成型性能已經基本達到了可拆板式熱交換器的成型要求，對于個別測點減薄量略大于25%的問題，通過模具的簡單處理或者結構的調整都可以解決。

4 結束語

經試驗證明，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，而且通過對新型雙相不銹鋼成型工藝的調整，可以生產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降低生產成本。

[1] Ramin M，李官，Andress L，等.雙相不銹鋼在苛刻加工中的成型——以CAE為基礎的產品研發[C].2012年第四屆中國國際雙相不銹鋼大會.北京：中國特鋼企業協會不銹鋼分會，2012：147～154.

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

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

[4] 羅益旋.最新沖壓新工藝、新技術及模具設計實用手冊[M].吉林：吉林出版發行集團，2004.