扩散焊紧凑式换热器（DCHE）是一种紧凑型、高强度的微通道热交换器，其也被称之为印刷电路板式换热器，相比传统板式、管式换热器，可节省材料重量和安装空间，特别适宜于要求紧凑空间的换热场合。航烨能源一直致力于开发和建立DCHE的制造检测技术。本文采用应力分析技术和疲劳试验对其强度和疲劳性能进行了评价。

1. 扩散焊紧凑式换热器强度评定

DCHE为保证良好的扩散焊和减重，常采用316不锈钢、铝合金等作为材料。DCHE具有类似于板翅式换热器的堆叠结构，并且以几乎相同的方式生产，但在流道制造和连接方面有一些显著的差异。DCHE的流动通道是通过直接在材料板上进行化学蚀刻来制造的，而不是通过翅片冲压形成。因此，每一层只有一个板，便于堆叠组装。连接是通过扩散粘合来完成的，这可以提供比钎焊更强的连接。图1显示了对扩散焊产品的横截面观察结果。在一个DCHE中，数百个板被堆叠起来，每个板都有流动通道。堆叠的板必须均匀地结合在一起，以达到所需的传热和耐压性能。因此，通过焊接测试进行的验证与通过模拟分析获得的理论验证一样重要。因此，提供检测手段提前验证扩散焊接技术是必不可少的。扩散焊评估基于以下几点：①扩散粘结合部位；②流道形状强度评估。

图1.扩散焊通道及横截面观察结果

2. 扩散焊紧凑式换热器刚度评估

航烨能源密切关注材料检测、使用和加工过程全流程，通过“扩散焊接程序确认记录（diffusion bonding procedure qualification records， DPQRs）程序实现加工过程中全流程可追溯，按照每个DPQR制备样品。对从这些样品中提取的试件进行力学性能评估。无论在扩散焊粘接位置和垂直或平行于粘接界面的位置，粘接部分的抗拉强度、屈服强度和抗弯强度等均需等于或超过标准值。

图2. 扩散焊紧凑式换热器

3. 扩散焊流道形状强度评定

如上所述，根据DPQR确定整个扩散焊工序。一般来说，流道的形状决定了整个热交换器的强度，无论材料和结合条件如何。因此，与流道形状相关的强度不仅可以通过计算来评估，而且还可以通过对测试样品进行的爆破试验来评估。在爆破试验中，扩散焊试验样品被水或油加压，当试验样品的一部分开始裂纹时，就会测量压力。爆裂压力很容易确定，因为流动通道无法承受更多的压力，其内部体积增加，从而发生膨胀，导致内部压力迅速下降。举个爆破试验的一个简单例子，对SUS316L不锈钢样品进行了测试。结果表明，该试样具有高压流动形状，可承受450MPa以上的压力。该流道形状采用安全系数为4，使设计压力为100MPa或更高。对不同类型的通道进行了破裂试验，产生的破裂压力在要求正负范围内，即可证明扩散焊流道形状强度符合要求。

4. 扩散焊换热器疲劳强度评定

尤其对于高压氢气站的热交换器，传统上套管式热交换器被用于这种应用，因为它需要大约80MPa的水冷却超高压氢气。而这些传统的热交换器的问题是涉及到大量的焊接接头，而且设备的体积很大。特别是，氢气站在设计规划之初要求能并入一个现有的加油站，所以要求换热器尺寸很小。以下是DCHEs在氢气站的具体应用：

①压缩机中冷器和后冷器（设计压力95MPa，设计温度不超过180℃）

②预冷器（设计压力92MPa，设计温度-50℃至50℃）

这些应用不仅需要静态的机械强度，而且还需要疲劳强度，以承受日常的启停运行和压力波动的压缩机。因此，在以下条件下（测试1和测试2），通过分析进行强度评估。还使用模拟高压环境中实际热交换器的测试样品进行了疲劳测试，如表1所示。实验结果被用于验证其机械强度。在这里，测试1根据应用①假设压缩机的冷却器，而测试2根据应用②假设的预冷器。

表1. 压力波动条件

5. 扩散焊换热器应力分析

图3描述了当前换热器水流通道形状的分析模型。图4描述了对运行中的模型的分析结果。疲劳强度评估所需的值，如峰值应力、平均应力和压力波动的应力幅度，都是根据在每个流通道的一个角落测量的峰值应力计算出来的。根据奥氏体不锈钢的设计疲劳曲线的平均应力修正评估疲劳强度。结果证实，在操作条件下有足够的裕度，在使用上没有问题。

图3. 应力分析模型

图4. 应力分析结果

6. 扩散焊换热器疲劳测试

通过如表1所示不同压力下的疲劳试验循环试验进行评价，如图5和6所示，即使超过了计划的周期数，两次测试都没有导致测试样品的破裂。也没有检测到液体（水或氢）的泄漏。在压力循环试验后，使用氦气作为测试流体进行密封性泄漏试验，以再次确认没有任何点的泄漏。这些结果验证了上述分析和疲劳强度评价技术的有效性。此外，还对扩散焊结合部分进行了氢脆化评价。从扩散键合试验样品中提取的样品被带氢电荷，随后在低应变率下进行拉伸试验。结果证实在高压氢环境中，没有发现脆化的影响。综上所述，已确认扩散焊产品在焊接质量上没有问题，并且发现它可以承受导致氢气站启停运行的压力循环试验。

图5. 疲劳测试

图6. 压力波动的循环试验

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