新型不锈钢复合换热管研发及应用

2017-10-16 14:37:12 作者：庄国栋来源：上海天阳钢管有限公司分享至：

摘要

本文介绍了采用一种新型不锈钢复合换热管制造工艺，该复合管可用于锅炉和换热设备的换热管。对采用该复合管研发制造的锅炉、热交换器不锈钢复合管进行了性能比较研究。与目前国内外普通双金属复合管进行性能比较后，研究结果表明：该不锈钢复合换热管在双金属层间结合力、导热性能、抗腐蚀性能等方面达到国际领先水平，是锅炉、热交换器领域中新材料的重大突破。本文还分析了该不锈钢复合管的工业应用与经济社会效益。

关键词：层间结合力、导热性能、不锈钢复合管、锅炉、热交换器

引言

不锈钢复合换热管可替代纯不锈钢换热管，不仅耐腐蚀，且强度高、价格低。而传统单金属管道和普通双金属复合管均难以满足锅炉和热交换器行业要求的同时满足高强度、导热性好、抗腐蚀性好等看似矛盾和苛刻的性能要求。

这是因为传统方法制作的双金属复合管，都不同程度上存在一些无法克服的缺点，例如由于结合力不够，无法克服两种金属在热环境下膨胀率不同的困难（通常复合管的结合力在0.2MPa-1.5MPa），无法进行热处理及其他塑性加工等，因此在很多行业应用场景下无法使用。

目前现有的普通双金属复合管在结合力和换热效率及加工工艺等方面，均不能满足热交换器用换热管的使用要求，仅适用于流体输送和结构承重。因此，从高效节能角度分析，研发制造锅炉、热交换器不锈钢换热管项目意义非常重大。

针对这些问题，天阳钢管有限公司开展了锅炉、热交换器不锈钢换热管研制的工作。为了使得产品达到上述工业运用要求，一种创新的材料——锅炉、热交换器不锈钢复合材料孕育而生。新材料汲取了原有各材料的优点，在材料性能上互取所长，其综合性能优于单一金属材料，满足行业生产需求，并越来越多地受到客户的青睐。

上海天阳钢管有限公司运用三元聚合技术研发和制造了新一代的复合管——锅炉、热交换器不锈钢换热管（聚合管），该产品替代不锈钢可节约材料成本30%-40%。这款产品基管材料为碳钢，内衬复合材料为不锈钢，通过管外管内同时外挤内扩方法以及同时金属熔融方法，使双金属复合层结合成一体。管外管内同时外挤内扩方法是国内首创，提出双金属熔融法是国内外复合管加工工艺没有涉及到的新工艺、新方法。这款产品层间结合力达到210MPa,接近冶金级复合管，比机械复合管提高1050倍；更为可贵的是，由于中间金属层的存在，隔断了碳钢与不锈钢，使得锅炉、热交换器不锈钢换热管的抗腐蚀能力极为优异。

1制造研发工艺

本项目采用的是一种复合新工艺。复合材料为：基管材料为碳钢，内衬材料为不锈钢，通过管外管内同时外挤内扩方法以及同时金属熔融方法，使双金属复合层结合成一体的复合管。管外管内同时外挤内扩方法是国内首创，提出双金属熔融法是国内外复合管加工工艺没有涉及到的新工艺、新方法。因此，本项目复合工艺具有创新性和突破，这种复合工艺的新方法具有较高的技术含量及热工艺要求和方案，才能达到锅炉、热交换器不锈钢换热管的性能要求。

2性能测试及分析

2.1力学性能研究：

2.1.1单向静拉伸试验

单向静拉伸试验是指在室温条件下、大气环境中，对试样沿轴向缓慢施加单向拉伸载荷使其伸长变形直到断裂的过程。根据GB/T228-2002《金属材料室温拉伸实验方法》的规定，对锅炉、热交换器不锈钢换热管进行单向静拉伸试验。采用电子万能试验机对试样进行实验。为保证测试结果的可靠性，试验中取锅炉、热交换器不锈钢换热管试样各四个，分别编号为1~4号试样，用以测定该复合管的屈服强度、抗拉强度和延伸率。

对上述表格里的数据进行平均处理得：

从实验结果中可以看出，锅炉、热交换器不锈钢换热管与不锈钢管比较，在屈服强度、抗拉强度和延伸率上实验情况良好，能够满足不锈钢力学条件。

2.1.2压扁试验

在双金属锅炉、热交换器不锈钢换热管试样管截取4个长度为20mm的全截面管段，将其棱边用锉刀进行倒圆处理。将准备好的试样在万能试验机上进行压扁试验。压扁试验结果如下所示。

实验结果无开裂无开裂无开裂无开裂实验结果表明，锅炉、热交换器不锈钢换热管未出现开裂现象，延展性和两金属层间结合性能良好。

2.1.3实验结果

对锅炉、热交换器不锈钢换热管进行了材料性能实验，通过实验室力学性能测试，得出了其主要力学性能指标，并将其与316不锈钢管的力学性能进行对比，得出结果如下：

（1）通过单向静拉伸试验，得到了锅炉、热交换器不锈钢换热管的基本力学性能，锅炉、热交换器不锈钢换热管的屈服强度为320MPa，抗拉强度为485MPa，延伸率为47.5%，与不锈钢管比较，在屈服强度、抗拉强度和延伸率上实验情况良好，能够满足不锈钢力学条件；

（2）通过压扁试验，结果表明，锅炉、热交换器不锈钢换热管未出现开裂现象，延展性和两金属层间结合性能良好。

图1扩口实验图2结合力实验图

3压扁实验图4弯管实验2.2 抗腐蚀能力测试：

为检验锅炉、热交换器不锈钢换热管的抗腐蚀能力，我们设计了两个实验分别为动电位扫描实验和应力腐蚀实验。

2.2 抗腐蚀能力测试：

为检验锅炉、热交换器不锈钢换热管的抗腐蚀能力，我们设计了两个实验分别为动电位扫描实验和应力腐蚀实验。

2.2.1 动电位扫描试验实验方案：

本次试验中所用试件共分三组：不锈钢管，内衬无缝锅炉、热交换器不锈钢换热管，内衬焊接锅炉、热交换器不锈钢换热管。每组有三个试件，编号分别为：不锈钢-1，不锈钢-2，不锈钢-3，无缝复合-1，无缝复合-2，无缝复合-3，焊接复合-1，焊接复合-2，焊接复合-3。所有试件均在含氯离子浓度为30ppm和3000ppb的超纯水中分别进行动电位扫描试验。

2.2.2 实验设备：

CHI600B 系列电化学分析仪/工作站，如图5及图6所示。

图5 CHI600B电化学分析仪连接形式图6试件连接形式

2.2.3 试验结果

从表4中可以看出，在含氯离子浓度分别为30ppm和3000ppb的超纯水溶液中试件的腐蚀倾向。在30ppm情况下，无缝内管的腐蚀电流密约度为1.13E-07μA·mm-2，焊接内管的腐蚀电流密度约为1.72E-07μA·mm-2，考虑的试验中可能存在的系统误差和随机误差，认为三者具有相近的腐蚀倾向。

在3000ppb情况下，由于氯离子浓度下降所以腐蚀速度降低，不锈钢管的腐蚀电流密度约为3.30E-08μA·mm-2，无缝内管的腐蚀电流密度约为3.62E-08μA·mm-2，焊接内管的腐蚀电流密度约为2.69E-08μA·mm-2，同样，认为这二种管的腐蚀倾向相同。

表4 氯离子腐蚀倾向

2.3应力腐蚀试验实验方案及设备：

试验溶液用ASMT G38中规定的分析纯氯化镁加蒸馏水或去离子水配制，所使用的氯化镁20%水溶液的PH值在常温下必须在3～7的范围内。加热并调整其沸点为155℃±l℃，该氯化镁溶液的浓度约是45%。

2.3.1试验设备及试验过程：

为了防止试验溶液的浓缩，必须使用带有锥形磨口密封的玻璃烧瓶，并配备具有充分冷却能力的立式玻璃回流冷凝器和能够保持试验溶液处于微沸状态的加热装置，试验设备及装置见图7 应力腐蚀试验装置图所示。

观察温度计，若温度显示低于155℃，则往锥形烧瓶顶部加入少量的六水氯化镁晶体，若温度显示高于155℃，则往其中加入少量试剂水（0.5mL到1mL），调整溶液浓度，直至温度显示为155℃ 1℃。

温度调整完后，在试样放入前还应使溶液维持沸腾约1个小时，待试验溶液完全沸腾后，放入施加过应力的试样，这个时刻作为试验开始时间，试样浸在溶液中的时间应为24小时。

图7 应力腐蚀试验装置图本次试验中所用试件共分三组：无缝不锈钢复合内管，焊接不锈钢复合内管。每组有三个试件，编号分别为：无缝复合-1，无缝复合-2，无缝复合-3，焊接复合-1，焊接复合-2，焊接复合-3。

2.3.2 试验结果：

图8～图9为内衬无缝不锈钢换热管和内衬焊接不锈钢换热管试件浸泡后表面的微观情况，从图中可以看出，这两种管在腐蚀试验中并没有出现裂纹，没有发生开裂。

图8 内衬无缝不锈钢换热管图

9 内衬焊接不锈钢换热管

2.4 热传导系数测试：

测试设备：TA 导热系数测试仪，采用标准为GB/T 225882008 闪光发测量热扩散系数或导热系数测试结果如表5所示：

从表5可以看出，不锈钢复合管的系数介于不锈钢与碳钢之间，基本满足理论公式λ=（碳钢壁厚*碳钢导热系数+不锈钢壁厚*不锈钢导热系数）/（不锈钢壁厚+碳钢壁厚），从而也从另一个侧面证明了本工艺制作的不锈钢管结合强度及其优异。

3 关键技术工艺与创新

（1）锈钢换热管的结合性能和传热性能。该锅炉、热交换器不锈钢换热管经过机械性能和力学性能测试，拉脱力已达到基材的极限应力且复合层不分离，折弯、压扁、切削等变形复合层同样不分离。因此，该锅炉、热交换器不锈钢换热管结合非常紧密，双层金属完全融合在一起了，在国内外复合管成品中是绝无仅有的。

（2）通过碳钢不锈钢复合新工艺，研究复合换热管的传热性能和得热率。测试结果表明：该复合管高于不锈钢管传热性能，抗腐蚀性能好，传热效率高，该不锈钢复合管是一种新型的高性能复合换热管，完全能用于换热器设备中，这种用锅炉、热交换器不锈钢换热管替代纯不锈钢管应用于换热器设备中，是国内化工设备中材料的突破。

（3）研究制定了锅炉、热交换器不锈钢换热管与换热器管板焊接工艺。该复合换热管的工业应用中焊接等工艺方法，使换热器传热效率高、设备成本降低等优势。

（4）研究制定了锅炉、热交换器不锈钢换热管工业应用规范与标准。通过锅炉、热交换器不锈钢换热管的力学性能测试、传热性能测试及抗腐蚀性能测试，制定锅炉、热交换器不锈钢换热管企业使用规范与标准，保证产品质量的使用。

结语

中国钢铁行业协会于2015年11月17日，在北京主持召开了“锅炉、热交换器不锈钢换热管”科技成果评价（鉴定）会，与会钢管及石油化工专家听取了天阳的工作报告，认为该项目提高了碳钢不锈钢复合管的结合性能和传热性能，主要创新点如下：

（1）该产品采用管内管外同事外挤内扩方法以及同时金属熔融方法，使两层钢管结合成一体，其结合强度及传热性能已显著超越现有的复合钢管制表。

（2）该方法制作的锅炉、热交换器不锈钢换热管，塑性加工性能好，扩口压扁无裂纹，冷弯不变形，并具有良好的承压能力，可采用多种灵活的连接方式（3）该锅炉、热交换器不锈钢换热管比纯不锈钢管传热性能提高近50%，可代替纯不锈钢管应用于热交换器。

4 结语换热器是生产过程中常用的化工设备，其形式多种多样，广泛运用于石油、化工、电力、核工业、制冷、环保等部门。不锈钢复合换热管的推广，将极大增强中国制造换热器的世界市场的竞争力。用复合管替代单一贵金属材料管材是可持续化发展的要求，迎合了我国经济发展的需求，能有效节约企业的运营成本，提高企业的工作效率。在提高我国生产、生活水平上有很大的启迪作用，锅炉、热交换器不锈钢换热管的推广，能带动相关产业链的协调发展，促进地方经济发展、增加税收、提高就业率。

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