銅制換熱器天然氣分解氣氛釬焊工藝的研究

梁展程 楊茂林

（廣東萬和熱能科技有限公司，廣東 佛山 528325）

0 引言

現代城市生活中，燃氣采暖熱水爐是家庭供暖供熱水最常見的設備之一，其工作原理是利用燃氣燃燒產生的高溫煙氣與常溫水進行熱交換來提高水的溫度。換熱器是熱量交換的核心部件，目前燃氣采暖熱水爐行業內的換熱器普遍是以銅材作為主要材料的翅片式換熱器，其生產工藝直接影響到換熱器及燃氣采暖熱水爐的質量與成本。因由此可見，研究銅制換熱器不同的生產工藝對行業的技術發展和經濟價值有重要意義。

目前，氨分解氣氛釬焊工藝是國內行業最常用的銅制換熱器釬焊工藝，該工藝技術成熟，但是氣源液氨對運輸及使用條件都有極其嚴格的要求，氨氣泄漏極易產生安全事故。環保的限制使得液氨及其相關設備的使用將被逐漸取代，且氣源液氮的價格高，氨分解氣氛釬焊工藝能耗高，導致銅制換熱器的生產成本高[1]。以上這些因素均限制了氨分解氣氛釬焊工藝的持續大規模使用。該文針對銅制換熱器天然氣分解氣氛釬焊工藝進行研究，為后續行業發展升級并使用不同釬焊工藝提供參考。

1 銅制換熱器天然氣分解氣氛釬焊工藝原理

1.1 銅制換熱器釬焊原理

銅制換熱器釬焊原理是把釬料預涂在換熱器的各母材連接處，通過爐內高溫加熱使釬料熔化，釬料融入母材間隙，換熱器出爐冷卻后使各母材緊固連接。銅制換熱器在高溫環境下與空氣接觸會發生氧化反應，生成CuO和Cu2O，破壞換熱器的特性。在爐內釬焊的過程需要通入保護氣氛來阻斷換熱器與空氣的接觸，對換熱器進行連續保護。如圖1所示，未焊接的換熱器從入料口經運輸帶流入釬焊爐中，同時分解氣氛爐把分解氣氛輸送到冷干機，再輸送至釬焊爐中連續保護換熱器，最后換熱器通過爐內高溫加熱焊接后經運輸帶流向出料口。

1.2 天然氣分解氣氛原理

天然氣分解氣氛的原理是通過不完全燃燒反應，生成保護氣氛。在分解氣氛爐內，將天然氣與空氣按一定比例混合，點火燃燒分解成CO、CO2、H2O和N2。燃燒分解生成的混合氣體經過冷干處理后，剩下由CO、CO2和N2組成的混合氣體，用作釬焊時的保護氣氛，具體成分比例見表1。

表1 天然氣分解氣氛成分

從表1可知，N2是混合氣體中的主要成分，占比約為88.14%，N2為中性氣體，即使在高溫環境下也不會與銅制換熱器發生反應，該分解氣氛具有強保護性。此外，CO成分占比約為3.56%，CO為還原性氣體，能與在銅制換熱器表面產生的少量CuO和Cu2O發生還原反應，生成Cu和CO2。由此可見，天然氣分解氣氛具有良好的保護與還原能力。

2 試驗與分析

2.1 天然氣分解氣氛釬焊后的銅制換熱器試驗

使用100套同一批次裝配好的銅制主換熱器，進行天然氣分解氣氛釬焊。根據CJ/T 469—2015《燃氣熱水器及采暖爐用熱交換器》及GB 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》相關條款對釬焊后的銅制主換熱器進行試驗與分析。

2.1.1 外觀試驗

由圖2可看出，天然氣分解氣氛具有良好的保護與還原能力，釬焊后的銅制換熱器表面光潔明亮，沒有明顯的氧化發黑現象，符合標準條款要求。

2.1.2 密封性和耐壓性試驗

根據CJ/T 469—2015條款6.2的要求，用于供暖的熱交換器在1.5倍的最大工作水壓條件下持續10min，目測熱交換器及連接部位不應漏水、破裂或明顯變形[2]。該文所研究的銅制換熱器用途為燃氣采暖熱水爐中供暖水與高溫煙氣的熱量交換，最大工作水壓為0.3MPa。對應標準要求，對天然氣分解氣氛釬焊后銅制換熱器進行0.45MPa打壓并持續10min，觀察各焊接部位，是否出現漏水、破裂或明顯變形現象，檢驗結果見表2。

由表2可知，檢驗100套天然氣分解氣氛釬焊后銅制換熱器的密封性和耐壓性，其中1套出現銅接頭接口漏水，總不合格數為1，合格率為99%，合格率高。另外，不合格的換熱器可通過二次釬焊補漏使其符合使用要求。

表2 天然氣分解氣氛釬焊后銅制換熱器密封性和耐壓性試驗記錄

2.1.3 爆破試驗

在密封性和耐壓性試驗之后，對換熱器進行耐壓補充試驗即爆破試驗。根據GB 150.1—2011附錄C試驗要求，驗證性爆破試驗的加壓應緩慢進行，首先逐漸加壓至預期設計壓力的0.5倍，保壓觀察后以1/10預期設計壓力的增量逐步加壓至預期設計壓力，進行不少于10min的保壓觀察后繼續以1/10預期設計壓力的增量加壓至爆破或設定的停止點[3]。隨機抽取3個釬焊后的熱換器，對其分別進行爆破試驗，在換熱器進水端連接增壓泵，在換熱器出水端連接壓力表和截止閥，其后關閉截止閥，開啟增壓泵，按上述爆破試驗要求使換熱器內水壓逐漸增大，觀察換熱器爆破點并記錄爆破時的壓力值。抽取的3個換熱器爆破點如圖3所示，爆破壓力見表3。

表3 換熱器爆破壓力

由表3可看出，抽取天然氣分解氣氛釬焊后的3個銅制換熱器的爆破壓力分別為13.51MPa、13.99MPa和13.78MPa，爆破壓力高，耐壓性優異，遠超CJ/T 469—2015條款6.2的要求。

2.2 裝有天然氣分解氣氛釬焊后銅制換熱器的燃氣采暖熱水爐試驗

由于銅制換熱器的釬焊質量直接影響燃氣采暖熱水爐熱效率和CO排放，因此在100套已進行天然氣分解氣氛釬焊的銅制換熱器中抽取3套安裝在燃氣采暖熱水爐中，對燃氣采暖熱水爐進行在各工況下熱效率與CO排放的試驗，檢驗試驗結果是否符合GB 25034—2020《燃氣采暖熱水爐》及GB 20665—2015《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖熱水爐能效限定及能效等級》相關條款要求。

2.2.1 熱效率試驗

a.根據一致性公式計算最大Eigen值，λmax =（1.53×0.606）+（9×0.103）+（4.33×0.291）=3.114 b.根據一致性比率公式：可算出，表明該判斷矩陣的計算結果通過一致性檢驗。

該文測試使用的燃氣采暖熱水爐為2級能效機型，根據GB 25034—2020條款6.6熱效率和GB 20665—2015條款4.2能效等級要求，機器在采暖狀態下，當額定熱負荷時熱效率應≥89%，30%額定熱負荷的熱效率應≥85%；在熱水狀態下，當額定熱負荷時熱效率應≥89%，50%額定熱負荷的熱效率應≥85%[4-5]。3臺燃氣采暖熱水爐在各個狀態下的熱效率試驗結果見表4。

表4 燃氣采暖熱水爐各狀態下熱效率

由表4可看出，裝有天然氣分解氣氛釬焊銅制換熱器的3臺燃氣采暖熱水爐在各個狀態下的熱效率性能優異，均高于GB 25034—2020及GB 20665—2015的要求，節能高效。

2.2.2 CO排放試驗

根據GB 25034—2020條款6.5要求，當額定熱負荷時，煙氣中CO（a=1）濃度應≤0.06%；當極限熱負荷（即1.05倍額定熱負荷）時，煙氣中CO（a=1）濃度應≤0.1%；當黃焰與不完全燃燒界限氣工況時，煙氣中CO（a=1）濃度應≤0.2%；當脫火界限氣工況時，煙氣中CO（a=1）濃度應≤0.2%[4]。3臺燃氣采暖熱水爐在各個狀態下的CO（a=1）排放試驗結果見表5。

表5 燃氣采暖熱水爐在各個狀態下的CO（a=1）排放

由表5可看出，裝有天然氣分解氣氛釬焊銅制換熱器的3臺燃氣采暖熱水爐在各個狀態下的CO（a=1）排放含量極低，均遠低于GB 25034—2020的要求，安全環保。

3 生產成本分析

衡量一種新工藝配件在產品中的適用性除了須對其進行技術與質量的可靠性評價外，還須對其進行生產成本分析。與國內行業最常用的銅制換熱器氨分解氣氛釬焊工藝相比較，分析天然氣分解氣氛釬焊銅制換熱器的生產成本。由于銅制換熱器的生產成本主要由分解氣氛價格、能耗、人工成本和場地租金組成，而兩種釬焊工藝的人工成本和場地租金相同，因此該文只對比分解氣氛價格和能耗。

氨分解氣氛釬焊工藝的過程是通過在氣氛分解爐內加入催化劑，采用電熱絲來加熱的方式使爐內溫度達到800℃左右之后形成氨反應分解，然后將分解氣氛通入電加熱隧道釬焊爐中，采用siC棒電加熱的方式加熱至焊料熔點溫度。氨分解氣氛釬焊工藝的氣氛分解和釬焊過程均采用電加熱方式，電能耗用大。

天然氣分解氣氛釬焊工藝的過程是指天然氣在氣氛分解爐內進行燃燒反應，通過持續放熱和持續反應使天然氣分解，然后將分解氣氛通入天然氣加熱隧道釬焊爐中，采用天然氣燃燒加熱至焊料熔點溫度。天然氣分解氣氛釬焊工藝的氣氛分解過程無需外界提供熱量，用自身燃燒產生的熱量持續進行反應，釬焊過程所用的能源是天然氣。兩種分解氣氛釬焊工藝能耗對比見表6。

由表6可以看出，氨分解氣氛釬焊工藝的能耗成本為168.49元/h，天然氣分解氣氛釬焊工藝的能耗成本為64.60元/h，天然氣分解氣氛釬焊工藝的能耗成本明顯低于氨分解氣氛釬焊工藝，生產成本優勢明顯。

4 結論

該文通過研究與試驗分析，為銅制換熱器使用天然氣分解氣氛釬焊工藝提供了參考，該文結論如下：1）天然氣分解氣氛中N2成分占比約為88.14%，CO成分占比約為3.56%，對銅制換熱器具有良好的保護與還原能力，釬焊后銅制換熱器表面光潔明亮，沒有明顯的氧化發黑現象。2）天然氣分解氣氛釬焊后銅制換熱器的密封性和耐壓性優異，爆破壓力高。3）裝有天然氣分解氣氛釬焊銅制換熱器的3臺燃氣采暖熱水爐在各個狀態下的熱效率性能優異，節能高效。4）裝有天然氣分解氣氛釬焊銅制換熱器的3臺燃氣采暖熱水爐在各個狀態下的CO排放含量極低，安全環保。5）天然氣分解氣氛釬焊工藝的能耗成本明顯低于氨分解氣氛釬焊工藝，生產成本優勢明顯。