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新型不銹鋼復合換熱管研發及應用

2017-10-16 14:37:12 作者：莊國棟來源：上海天陽鋼管有限公司分享至：

摘要

本文介紹了采用一種新型不銹鋼復合換熱管制造工藝，該復合管可用于鍋爐和換熱設備的換熱管。對采用該復合管研發制造的鍋爐、熱交換器不銹鋼復合管進行了性能比較研究。與目前國內外普通雙金屬復合管進行性能比較后，研究結果表明：該不銹鋼復合換熱管在雙金屬層間結合力、導熱性能、抗腐蝕性能等方面達到國際領先水平，是鍋爐、熱交換器領域中新材料的重大突破。本文還分析了該不銹鋼復合管的工業應用與經濟社會效益。

關鍵詞：層間結合力、導熱性能、不銹鋼復合管、鍋爐、熱交換器

引言

不銹鋼復合換熱管可替代純不銹鋼換熱管，不僅耐腐蝕，且強度高、價格低。而傳統單金屬管道和普通雙金屬復合管均難以滿足鍋爐和熱交換器行業要求的同時滿足高強度、導熱性好、抗腐蝕性好等看似矛盾和苛刻的性能要求。

這是因為傳統方法制作的雙金屬復合管，都不同程度上存在一些無法克服的缺點，例如由于結合力不夠，無法克服兩種金屬在熱環境下膨脹率不同的困難（通常復合管的結合力在0.2MPa-1.5MPa），無法進行熱處理及其他塑性加工等，因此在很多行業應用場景下無法使用。

目前現有的普通雙金屬復合管在結合力和換熱效率及加工工藝等方面，均不能滿足熱交換器用換熱管的使用要求，僅適用于流體輸送和結構承重。因此，從高效節能角度分析，研發制造鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管項目意義非常重大。

針對這些問題，天陽鋼管有限公司開展了鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管研制的工作。為了使得產品達到上述工業運用要求，一種創新的材料——鍋爐、熱交換器不銹鋼復合材料孕育而生。新材料汲取了原有各材料的優點，在材料性能上互取所長，其綜合性能優于單一金屬材料，滿足行業生產需求，并越來越多地受到客戶的青睞。

上海天陽鋼管有限公司運用三元聚合技術研發和制造了新一代的復合管——鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管（聚合管），該產品替代不銹鋼可節約材料成本30%-40%。這款產品基管材料為碳鋼，內襯復合材料為不銹鋼，通過管外管內同時外擠內擴方法以及同時金屬熔融方法，使雙金屬復合層結合成一體。管外管內同時外擠內擴方法是國內首創，提出雙金屬熔融法是國內外復合管加工工藝沒有涉及到的新工藝、新方法。這款產品層間結合力達到210MPa,接近冶金級復合管，比機械復合管提高1050倍；更為可貴的是，由于中間金屬層的存在，隔斷了碳鋼與不銹鋼，使得鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管的抗腐蝕能力極為優異。

1制造研發工藝

本項目采用的是一種復合新工藝。復合材料為：基管材料為碳鋼，內襯材料為不銹鋼，通過管外管內同時外擠內擴方法以及同時金屬熔融方法，使雙金屬復合層結合成一體的復合管。管外管內同時外擠內擴方法是國內首創，提出雙金屬熔融法是國內外復合管加工工藝沒有涉及到的新工藝、新方法。因此，本項目復合工藝具有創新性和突破，這種復合工藝的新方法具有較高的技術含量及熱工藝要求和方案，才能達到鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管的性能要求。

2性能測試及分析

2.1力學性能研究：

2.1.1單向靜拉伸試驗

單向靜拉伸試驗是指在室溫條件下、大氣環境中，對試樣沿軸向緩慢施加單向拉伸載荷使其伸長變形直到斷裂的過程。根據GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸實驗方法》的規定，對鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管進行單向靜拉伸試驗。采用電子萬能試驗機對試樣進行實驗。為保證測試結果的可靠性，試驗中取鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管試樣各四個，分別編號為1~4號試樣，用以測定該復合管的屈服強度、抗拉強度和延伸率。

對上述表格里的數據進行平均處理得：

從實驗結果中可以看出，鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管與不銹鋼管比較，在屈服強度、抗拉強度和延伸率上實驗情況良好，能夠滿足不銹鋼力學條件。

2.1.2壓扁試驗

在雙金屬鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管試樣管截取4個長度為20mm的全截面管段，將其棱邊用銼刀進行倒圓處理。將準備好的試樣在萬能試驗機上進行壓扁試驗。壓扁試驗結果如下所示。

實驗結果無開裂無開裂無開裂無開裂實驗結果表明，鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管未出現開裂現象，延展性和兩金屬層間結合性能良好。

2.1.3實驗結果

對鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管進行了材料性能實驗，通過實驗室力學性能測試，得出了其主要力學性能指標，并將其與316不銹鋼管的力學性能進行對比，得出結果如下：

（1）通過單向靜拉伸試驗，得到了鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管的基本力學性能，鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管的屈服強度為320MPa，抗拉強度為485MPa，延伸率為47.5%，與不銹鋼管比較，在屈服強度、抗拉強度和延伸率上實驗情況良好，能夠滿足不銹鋼力學條件；

（2）通過壓扁試驗，結果表明，鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管未出現開裂現象，延展性和兩金屬層間結合性能良好。

圖1擴口實驗圖2結合力實驗圖

3壓扁實驗圖4彎管實驗2.2 抗腐蝕能力測試：

為檢驗鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管的抗腐蝕能力，我們設計了兩個實驗分別為動電位掃描實驗和應力腐蝕實驗。

2.2 抗腐蝕能力測試：

為檢驗鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管的抗腐蝕能力，我們設計了兩個實驗分別為動電位掃描實驗和應力腐蝕實驗。

2.2.1 動電位掃描試驗實驗方案：

本次試驗中所用試件共分三組：不銹鋼管，內襯無縫鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管，內襯焊接鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管。每組有三個試件，編號分別為：不銹鋼-1，不銹鋼-2，不銹鋼-3，無縫復合-1，無縫復合-2，無縫復合-3，焊接復合-1，焊接復合-2，焊接復合-3。所有試件均在含氯離子濃度為30ppm和3000ppb的超純水中分別進行動電位掃描試驗。

2.2.2 實驗設備：

CHI600B 系列電化學分析儀/工作站，如圖5及圖6所示。

圖5 CHI600B電化學分析儀連接形式圖6試件連接形式

2.2.3 試驗結果

從表4中可以看出，在含氯離子濃度分別為30ppm和3000ppb的超純水溶液中試件的腐蝕傾向。在30ppm情況下，無縫內管的腐蝕電流密約度為1.13E-07μA·mm-2，焊接內管的腐蝕電流密度約為1.72E-07μA·mm-2，考慮的試驗中可能存在的系統誤差和隨機誤差，認為三者具有相近的腐蝕傾向。

在3000ppb情況下，由于氯離子濃度下降所以腐蝕速度降低，不銹鋼管的腐蝕電流密度約為3.30E-08μA·mm-2，無縫內管的腐蝕電流密度約為3.62E-08μA·mm-2，焊接內管的腐蝕電流密度約為2.69E-08μA·mm-2，同樣，認為這二種管的腐蝕傾向相同。

表4 氯離子腐蝕傾向

2.3應力腐蝕試驗實驗方案及設備：

試驗溶液用ASMT G38中規定的分析純氯化鎂加蒸餾水或去離子水配制，所使用的氯化鎂20%水溶液的PH值在常溫下必須在3～7的范圍內。加熱并調整其沸點為155℃±l℃，該氯化鎂溶液的濃度約是45%。

2.3.1試驗設備及試驗過程：

為了防止試驗溶液的濃縮，必須使用帶有錐形磨口密封的玻璃燒瓶，并配備具有充分冷卻能力的立式玻璃回流冷凝器和能夠保持試驗溶液處于微沸狀態的加熱裝置，試驗設備及裝置見圖7 應力腐蝕試驗裝置圖所示。

觀察溫度計，若溫度顯示低于155℃，則往錐形燒瓶頂部加入少量的六水氯化鎂晶體，若溫度顯示高于155℃，則往其中加入少量試劑水（0.5mL到1mL），調整溶液濃度，直至溫度顯示為155℃ 1℃。

溫度調整完后，在試樣放入前還應使溶液維持沸騰約1個小時，待試驗溶液完全沸騰后，放入施加過應力的試樣，這個時刻作為試驗開始時間，試樣浸在溶液中的時間應為24小時。

圖7 應力腐蝕試驗裝置圖本次試驗中所用試件共分三組：無縫不銹鋼復合內管，焊接不銹鋼復合內管。每組有三個試件，編號分別為：無縫復合-1，無縫復合-2，無縫復合-3，焊接復合-1，焊接復合-2，焊接復合-3。

2.3.2 試驗結果：

圖8～圖9為內襯無縫不銹鋼換熱管和內襯焊接不銹鋼換熱管試件浸泡后表面的微觀情況，從圖中可以看出，這兩種管在腐蝕試驗中并沒有出現裂紋，沒有發生開裂。

圖8 內襯無縫不銹鋼換熱管圖

9 內襯焊接不銹鋼換熱管

2.4 熱傳導系數測試：

測試設備：TA 導熱系數測試儀，采用標準為GB/T 225882008 閃光發測量熱擴散系數或導熱系數測試結果如表5所示：

從表5可以看出，不銹鋼復合管的系數介于不銹鋼與碳鋼之間，基本滿足理論公式λ=（碳鋼壁厚*碳鋼導熱系數+不銹鋼壁厚*不銹鋼導熱系數）/（不銹鋼壁厚+碳鋼壁厚），從而也從另一個側面證明了本工藝制作的不銹鋼管結合強度及其優異。

3 關鍵技術工藝與創新

（1）銹鋼換熱管的結合性能和傳熱性能。該鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管經過機械性能和力學性能測試，拉脫力已達到基材的極限應力且復合層不分離，折彎、壓扁、切削等變形復合層同樣不分離。因此，該鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管結合非常緊密，雙層金屬完全融合在一起了，在國內外復合管成品中是絕無僅有的。

（2）通過碳鋼不銹鋼復合新工藝，研究復合換熱管的傳熱性能和得熱率。測試結果表明：該復合管高于不銹鋼管傳熱性能，抗腐蝕性能好，傳熱效率高，該不銹鋼復合管是一種新型的高性能復合換熱管，完全能用于換熱器設備中，這種用鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管替代純不銹鋼管應用于換熱器設備中，是國內化工設備中材料的突破。

（3）研究制定了鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管與換熱器管板焊接工藝。該復合換熱管的工業應用中焊接等工藝方法，使換熱器傳熱效率高、設備成本降低等優勢。

（4）研究制定了鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管工業應用規范與標準。通過鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管的力學性能測試、傳熱性能測試及抗腐蝕性能測試，制定鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管企業使用規范與標準，保證產品質量的使用。

結語

中國鋼鐵行業協會于2015年11月17日，在北京主持召開了“鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管”科技成果評價（鑒定）會，與會鋼管及石油化工專家聽取了天陽的工作報告，認為該項目提高了碳鋼不銹鋼復合管的結合性能和傳熱性能，主要創新點如下：

（1）該產品采用管內管外同事外擠內擴方法以及同時金屬熔融方法，使兩層鋼管結合成一體，其結合強度及傳熱性能已顯著超越現有的復合鋼管制表。

（2）該方法制作的鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管，塑性加工性能好，擴口壓扁無裂紋，冷彎不變形，并具有良好的承壓能力，可采用多種靈活的連接方式（3）該鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管比純不銹鋼管傳熱性能提高近50%，可代替純不銹鋼管應用于熱交換器。

4 結語換熱器是生產過程中常用的化工設備，其形式多種多樣，廣泛運用于石油、化工、電力、核工業、制冷、環保等部門。不銹鋼復合換熱管的推廣，將極大增強中國制造換熱器的世界市場的競爭力。用復合管替代單一貴金屬材料管材是可持續化發展的要求，迎合了我國經濟發展的需求，能有效節約企業的運營成本，提高企業的工作效率。在提高我國生產、生活水平上有很大的啟迪作用，鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管的推廣，能帶動相關產業鏈的協調發展，促進地方經濟發展、增加稅收、提高就業率。

參考文獻

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