激光圈焊技術在板式降膜蒸發器加熱板片制造中的應用

趙云松 胡海軍 張 丹

(上海神農節能環保裝備有限公司，上海，201300)

板式降膜蒸發器作為一種先進的降膜蒸發設備，于1987年在國內研發成功，這些年來，板式降膜蒸發器以它特有的性能，在制漿造紙、氧化鋁、食品行業得到了廣泛應用，取得了良好的經濟效益及社會效益。

板式降膜蒸發器中的關鍵元件——加熱板片最初采用的是點焊生產工藝，此工藝一直延續至今。除了傳統的點焊技術，國外還廣泛采用激光圈焊技術來生產這種加熱板片，主要用于各類換熱器設備、蜂窩夾套等。寧波象山某廠在21世紀初已采用激光圈焊技術制造啤酒發酵罐、食品化工加熱器、反應釜等設備。安德里茨公司現在也采用激光圈焊技術生產加熱板片，并在湛江晨鳴紙廠的蒸發站上首次使用。

上海神農節能環保裝備有限公司于2012年引入世界領先的全自動激光圈焊機，并首次將激光圈焊技術用于板式降膜蒸發器加熱板片的制造，目前最大可以生產1800 mm×12000 mm的加熱板片，滿足大型板式降膜蒸發器的制造需要。本文介紹了激光圈焊技術在板式降膜蒸發器加熱板片制造中的應用。

1 板式降膜蒸發器的工作原理

板式降膜蒸發器主要由板片組、分配器、除沫器和外殼等組成，其結構示意圖見圖1。

(1)板片組。板片組由若干張加熱板片組成，每張加熱板片由兩張不銹鋼薄鋼板經焊接、鼓壓成形等工藝制成。工作時蒸汽在板腔內流動并冷凝放出熱量;溶液在板片外呈膜狀向下流動，同時吸收熱量而蒸發。

(2)分配器。分配器的作用是將一定量的循環溶液均勻、穩定地分配到每一張加熱板片上。

(3)除沫器。除沫器的作用是對二次蒸汽中夾帶的霧沫進行分離。

(4)循環泵。循環泵提供足夠的溶液循環，滿足板片表面均勻布膜所需。

2 板式降膜蒸發器的主要特點

板式降膜蒸發器的最大特點為加熱面表面凹凸及板外液膜蒸發，具體如下:

(1)加熱板片特殊的凹凸表面，非常有利于易結垢液體的濃縮。

·液膜在板片表面的流速及流向不斷變化，強化了傳熱，并且液膜不斷地再分配，使布膜更均勻，不易結垢。

·液膜的沖刷及板片的微量變形，促使了板片結垢的剝落。

·板外即使有結垢，也使除垢工作變得簡單，清洗時間短。

(2)根據不同料液性質，差別化設計各效的分配器，確保溶液均勻分布到所有板片并不易堵塞，形成均勻一致的液膜。

(3)特殊設計的除沫器裝置，將二次蒸汽的霧沫夾帶降到最低。汽室經過優化設計，以獲得二次蒸汽通過除沫器時的最佳汽流分布。

(4)如果溶液含有不凝結氣體包括硫化氫氣體，則板片可以采用自汽提設計，將不同效內二次冷凝水進行輕濁分流，滿足工廠對輕、濁冷凝水回用或外排處理的不同要求。

(5)用彈性支座安裝循環泵，從而避免在循環管上設置膨脹節 (膨脹節常常會導致泄漏和固形物結垢堵塞)。

3 加熱板片的強度計算

加熱板片是板式降膜蒸發器的核心組件，它的設計及制造質量直接影響設備的使用壽命及使用效果。

為確保加熱板片的承壓能力，每張板片均勻分布了大量連接點，通常情況下，這些連接點按棱形布置，如圖2所示。

假設:

B1為長度方向點焊間距，mm;

B2為寬度方向點焊間距，mm;

D為點焊溶核或激光圈焊圓的直徑，mm;

T為板片板厚，mm;

［σ］為設計溫度條件下材料許用應力，對SS304材質，按137MPa計;

η為焊接接頭系數，按0.6計。

如圖2所示，在板片上取一個區域，每個連接點承受的拉力等于內壓對該區域的作用力，并且假設板片破壞形式是連接點外圓母材撕裂破壞，由此可以推導出板片的許用壓力P(MPa):

圖2 板片焊點布置示圖

以目前常用的連接點布置間距及板厚進行計算，結果見表1。

表1 連接點布置間距及板厚計算結果

表2 激光圈焊板片與點焊板片的對比

4 激光圈焊與點焊的技術對比

點焊是用兩電極將兩張薄鋼板壓緊，并施加一定電流，使兩板接觸部分發熱并熔化，形成熔核。通常情況下，在焊接條件良好情況下，熔核直徑在5～7 mm。

激光圈焊采用的是激光疊加焊，首先將兩張薄鋼疊加在一起并壓緊，然后激光束在板表面焊一個圈焊，焊縫的熔深超過單張板厚但又小于兩張板厚，從而將兩張鋼板連接在一起。焊圈的直徑相當于點焊板片的溶核直徑，圈焊直徑與焊接工藝無關，由設計者根據工藝計算確定。

激光圈焊板片與點焊板片的主要對比見表2。

5 結論

5.1 通過合理設計圈焊直徑及圈焊間距，即使采用較薄的鋼板，也能設計出承壓能力遠超點焊技術生產的板片，這一方面降低了設備成本，另一方面也有利于傳熱。

5.2 對于板式蒸發器的后幾效蒸發器，由于壓力不高，設計時可以采用較薄板，采用較大焊圈直徑設計，保證板片受力的同時，適當減少焊圈分布密度，這樣可以減少板片內蒸汽流動阻力，減少溫差損失。

總之，激光圈焊技術的引入，為加熱板片的設計和生產注入了新的活力，可大大拓展加熱板片的應用范圍。在滿足工況的條件下，通過優化設計，可以減少鋼材厚度，從而節約大量金屬資源，這在資源日趨匱乏的今天，具有重要意義。

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