[01287003]钎焊缺陷对LNG铝制板翅式换热器结构强度及安全性的影响规律研究

1.课题来源与背景 （1）项目来源 甘肃省科学技术厅-甘肃省自然科学基金项目 （2）背景 随着全球经济的快速发展,煤炭、石油的日趋枯竭以及其所带来的环境污染问题日益严重,使得能源结构逐步发生变化,天然气的消费量急剧增长,近二十年以来,天然气在一次能源中所占比例已达到24%以上。但是,由于天然气产地往往不在工业或人口集中地区,因此必须解决其储存和运输问题。液化天然气的密度为标准状态下甲烷的600多倍,体积能量密度为汽油的72%,十分有利于储存和输送。因此,在世界范围内,天然气液化（LNG）技术已经成为一门新兴工业技术,得到了迅猛发展。我国LNG技术起步较晚,长期以来LNG工艺技术及关键装备一直受欧美发达国家垄断,要改变我国LNG工艺技术及关键装备受制于人的现状,就必须加快推进我国大型LNG关键装备的国产化。对于板翅式换热器结构强度及安全性的研究,目前主要集中在钎焊残余应力以及残余应力对不锈钢板翅式换热器结构强度及安全性的影响方面,对于低温运行过程中大型LNG工厂用铝制板翅式换热器结构强度及安全性的研究较少。 2.研究的目的与意义 开展含钎焊缺陷LNG铝制板翅式换热器的强度及开裂规律进行爆破实验研究;建立含钎焊缺陷LNG铝制板翅式换热器的热应力分析模型,模拟研究钎焊缺陷对其结构安全性的影响规律,确定其结构强度与钎焊缺陷之间的定量关系;建立钎焊缺陷部位的应力开裂分析模型,模拟研究钎焊缺陷部位的应力开裂规律,总结强化其结构强度的方法。本课题的深入研究将有助于为我国大型LNG工厂用铝制板翅式换热器的结构制造、设计以及安全运行操作提供理论基础;对推动我国西部天然气主产区LNG工业的快速发展具有重要的学术意义和实际价值。 3.主要结论 （1）通过对3003和3004材料,在不同翅片类型条件下制造的含钎焊铝制板翅式换热器试件爆破实验,发现锯齿型翅片、多孔型翅片以及波纹型翅片制造的板翅式换热器试件的爆破压力均在40MPa以上,远高于换热器的最高容许工作压力,满足天然气液化工艺要求。通过不通翅片制造的板翅式换热器的爆破实验结果,发现波纹型翅片制造的铝制板翅式换热器强度大于其他两种的,多孔型翅片制造的铝制板翅式换热器强度最小;在铝制板翅式换热器制造中,在满足换热条件下,采用波纹型翅片可以强化板翅式换热器的结构强度。 （2）LNG铝制板翅式换热器在实际运行过程中,当LNG铝制板翅结构的钎焊角曲率半径r=0.5mm,融合距离l=0.1375mm时,在靠近翅片侧钎焊接头处,最大等效应力达到了峰值,该位置是钎焊接头应力最易集中区,整个铝制板翅式换热器的疲劳破坏最易在该处发生。当钎焊角融合距离l=0.1375mm时,在靠近翅片侧和隔板侧钎焊接头处,等效应力随曲率半径增加而增大,但是在靠近翅片侧等效应力始终大于靠近隔板侧的;减小钎焊角曲率半径,将降低钎焊接头处热应力变化梯度,从而降低其应力集中程度。随着钎焊角融合距离增加,在靠近隔板侧钎焊接头处等效应力,随融合距离增加而减小,靠近翅片侧的则反之;当钎焊角融合距离小于0.08mm时,靠近隔板侧钎焊接头处等效应力大于靠近翅片侧的,反之靠近翅片侧的大于靠近隔板侧的。 （3）对于板翅式换热器,在钎焊制造过程中,钎料层厚度严重影响铝制板翅式换热器钎焊接头处的微观形貌,钎料层越薄,钎焊接头处将存在虚焊缺陷;钎料层越厚,钎焊接头将出现钎料堵塞通道缺陷;在钎料层厚度为2mm时,钎焊接头可能从在开裂裂纹问题。在钎焊制造过程中,板翅式换热器钎焊接头在钎焊过程中将出现 Si 元素的块状聚集,这种块状集聚严重影响铝制板翅换热器的结构强度,通过爆破实验发现应力开裂主要在钎焊接头靠近翅片侧,并且沿着翅片侧发生断裂。 4. 创见与创新 （1）提出了含钎焊缺陷LNG铝制板翅式换热器结构强度的方法; （2）建立了LNG铝制板翅式换热器的结构强度与钎焊缺陷尺寸如钎焊角融合距离以及钎焊角曲率半径之间的定量关系; （3）发现了在钎焊制造过程中,板翅式换热器钎焊接头在钎焊过程中将出现Si元素的块状聚集,这种块状集聚影响铝制板翅换热器的结构强度,其应力开裂主要在钎焊接头靠近翅片侧,并且沿着翅片侧发生断裂。 5. 社会经济效益 目前本项目研究成果转化正在积极有力的跟中原油田进行对接推广中,并且前期在中石化中原石油工程设计有限工程承担的德阳 LNG 工程项目中初步应用,指导了现场运行操作。