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新型不銹鋼復(fù)合換熱管研發(fā)及應(yīng)用

2017-10-16 14:37:12 作者：莊國(guó)棟來(lái)源：上海天陽(yáng)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(fù)合換熱管制造工藝，該復(fù)合管可用于鍋爐和換熱設(shè)備的換熱管。對(duì)采用該復(fù)合管研發(fā)制造的鍋爐、熱交換器不銹鋼復(fù)合管進(jìn)行了性能比較研究。與目前國(guó)內(nèi)外普通雙金屬?gòu)?fù)合管進(jìn)行性能比較后，研究結(jié)果表明：該不銹鋼復(fù)合換熱管在雙金屬層間結(jié)合力、導(dǎo)熱性能、抗腐蝕性能等方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，是鍋爐、熱交換器領(lǐng)域中新材料的重大突破。本文還分析了該不銹鋼復(fù)合管的工業(yè)應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：層間結(jié)合力、導(dǎo)熱性能、不銹鋼復(fù)合管、鍋爐、熱交換器

引言

不銹鋼復(fù)合換熱管可替代純不銹鋼換熱管，不僅耐腐蝕，且強(qiáng)度高、價(jià)格低。而傳統(tǒng)單金屬管道和普通雙金屬?gòu)?fù)合管均難以滿足鍋爐和熱交換器行業(yè)要求的同時(shí)滿足高強(qiáng)度、導(dǎo)熱性好、抗腐蝕性好等看似矛盾和苛刻的性能要求。

這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法制作的雙金屬?gòu)?fù)合管，都不同程度上存在一些無(wú)法克服的缺點(diǎn)，例如由于結(jié)合力不夠，無(wú)法克服兩種金屬在熱環(huán)境下膨脹率不同的困難（通常復(fù)合管的結(jié)合力在0.2MPa-1.5MPa），無(wú)法進(jìn)行熱處理及其他塑性加工等，因此在很多行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景下無(wú)法使用。

目前現(xiàn)有的普通雙金屬?gòu)?fù)合管在結(jié)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(jié)構(gòu)承重。因此，從高效節(jié)能角度分析，研發(fā)制造鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管項(xiàng)目意義非常重大。

針對(duì)這些問(wèn)題，天陽(yáng)鋼管有限公司開(kāi)展了鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管研制的工作。為了使得產(chǎn)品達(dá)到上述工業(yè)運(yùn)用要求，一種創(chuàng)新的材料——鍋爐、熱交換器不銹鋼復(fù)合材料孕育而生。新材料汲取了原有各材料的優(yōu)點(diǎn)，在材料性能上互取所長(zhǎng)，其綜合性能優(yōu)于單一金屬材料，滿足行業(yè)生產(chǎn)需求，并越來(lái)越多地受到客戶的青睞。

上海天陽(yáng)鋼管有限公司運(yùn)用三元聚合技術(shù)研發(fā)和制造了新一代的復(fù)合管——鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管（聚合管），該產(chǎn)品替代不銹鋼可節(jié)約材料成本30%-40%。這款產(chǎn)品基管材料為碳鋼，內(nèi)襯復(fù)合材料為不銹鋼，通過(guò)管外管內(nèi)同時(shí)外擠內(nèi)擴(kuò)方法以及同時(shí)金屬熔融方法，使雙金屬?gòu)?fù)合層結(jié)合成一體。管外管內(nèi)同時(shí)外擠內(nèi)擴(kuò)方法是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，提出雙金屬熔融法是國(guó)內(nèi)外復(fù)合管加工工藝沒(méi)有涉及到的新工藝、新方法。這款產(chǎn)品層間結(jié)合力達(dá)到210MPa,接近冶金級(jí)復(fù)合管，比機(jī)械復(fù)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(yōu)異。

1制造研發(fā)工藝

本項(xiàng)目采用的是一種復(fù)合新工藝。復(fù)合材料為：基管材料為碳鋼，內(nèi)襯材料為不銹鋼，通過(guò)管外管內(nèi)同時(shí)外擠內(nèi)擴(kuò)方法以及同時(shí)金屬熔融方法，使雙金屬?gòu)?fù)合層結(jié)合成一體的復(fù)合管。管外管內(nèi)同時(shí)外擠內(nèi)擴(kuò)方法是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，提出雙金屬熔融法是國(guó)內(nèi)外復(fù)合管加工工藝沒(méi)有涉及到的新工藝、新方法。因此，本項(xiàng)目復(fù)合工藝具有創(chuàng)新性和突破，這種復(fù)合工藝的新方法具有較高的技術(shù)含量及熱工藝要求和方案，才能達(dá)到鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管的性能要求。

2性能測(cè)試及分析

2.1力學(xué)性能研究：

2.1.1單向靜拉伸試驗(yàn)

單向靜拉伸試驗(yàn)是指在室溫條件下、大氣環(huán)境中，對(duì)試樣沿軸向緩慢施加單向拉伸載荷使其伸長(zhǎng)變形直到斷裂的過(guò)程。根據(jù)GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》的規(guī)定，對(duì)鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管進(jìn)行單向靜拉伸試驗(yàn)。采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為保證測(cè)試結(jié)果的可靠性，試驗(yàn)中取鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管試樣各四個(gè)，分別編號(hào)為1~4號(hào)試樣，用以測(cè)定該復(fù)合管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率。

對(duì)上述表格里的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理得：

從實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率上實(shí)驗(yàn)情況良好，能夠滿足不銹鋼力學(xué)條件。

2.1.2壓扁試驗(yàn)

在雙金屬鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管試樣管截取4個(gè)長(zhǎng)度為20mm的全截面管段，將其棱邊用銼刀進(jìn)行倒圓處理。將準(zhǔn)備好的試樣在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓扁試驗(yàn)。壓扁試驗(yàn)結(jié)果如下所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)開(kāi)裂無(wú)開(kāi)裂無(wú)開(kāi)裂無(wú)開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，延展性和兩金屬層間結(jié)合性能良好。

2.1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管進(jìn)行了材料性能實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性能測(cè)試，得出了其主要力學(xué)性能指標(biāo)，并將其與316不銹鋼管的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)果如下：

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

（2）通過(guò)壓扁試驗(yàn)，結(jié)果表明，鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，延展性和兩金屬層間結(jié)合性能良好。

圖1擴(kuò)口實(shí)驗(yàn) 圖2結(jié)合力實(shí)驗(yàn)圖

3壓扁實(shí)驗(yàn) 圖4彎管實(shí)驗(yàn)2.2 抗腐蝕能力測(cè)試：

為檢驗(yàn)鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管的抗腐蝕能力，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別為動(dòng)電位掃描實(shí)驗(yàn)和應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)。

2.2 抗腐蝕能力測(cè)試：

2.2.1 動(dòng)電位掃描試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案：

本次試驗(yàn)中所用試件共分三組：不銹鋼管，內(nèi)襯無(wú)縫鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管，內(nèi)襯焊接鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管。每組有三個(gè)試件，編號(hào)分別為：不銹鋼-1，不銹鋼-2，不銹鋼-3，無(wú)縫復(fù)合-1，無(wú)縫復(fù)合-2，無(wú)縫復(fù)合-3，焊接復(fù)合-1，焊接復(fù)合-2，焊接復(fù)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(jìn)行動(dòng)電位掃描試驗(yàn)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

CHI600B 系列電化學(xué)分析儀/工作站，如圖5及圖6所示。

圖5 CHI600B電化學(xué)分析儀連接形式圖6試件連接形式

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)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(wú)縫內(nèi)管的腐蝕電流密約度為1.13E-07μA·mm-2，焊接內(nèi)管的腐蝕電流密度約為1.72E-07μA·mm-2，考慮的試驗(yàn)中可能存在的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，認(rèn)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(wú)縫內(nèi)管的腐蝕電流密度約為3.62E-08μA·mm-2，焊接內(nèi)管的腐蝕電流密度約為2.69E-08μA·mm-2，同樣，認(rèn)為這二種管的腐蝕傾向相同。

表4 氯離子腐蝕傾向

2.3應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案及設(shè)備：

試驗(yàn)溶液用ASMT G38中規(guī)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(nèi)。加熱并調(diào)整其沸點(diǎn)為155℃±l℃，該氯化鎂溶液的濃度約是45%。

2.3.1試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過(guò)程：

為了防止試驗(yàn)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(yàn)溶液處于微沸狀態(tài)的加熱裝置，試驗(yàn)設(shè)備及裝置見(jiàn)圖7 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)裝置圖所示。

觀察溫度計(jì)，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(diào)整溶液濃度，直至溫度顯示為155℃ 1℃。

溫度調(diào)整完后，在試樣放入前還應(yīng)使溶液維持沸騰約1個(gè)小時(shí)，待試驗(yàn)溶液完全沸騰后，放入施加過(guò)應(yīng)力的試樣，這個(gè)時(shí)刻作為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間，試樣浸在溶液中的時(shí)間應(yīng)為24小時(shí)。

圖7 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)裝置圖本次試驗(yàn)中所用試件共分三組：無(wú)縫不銹鋼復(fù)合內(nèi)管，焊接不銹鋼復(fù)合內(nèi)管。每組有三個(gè)試件，編號(hào)分別為：無(wú)縫復(fù)合-1，無(wú)縫復(fù)合-2，無(wú)縫復(fù)合-3，焊接復(fù)合-1，焊接復(fù)合-2，焊接復(fù)合-3。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果：

圖8～圖9為內(nèi)襯無(wú)縫不銹鋼換熱管和內(nèi)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(yàn)中并沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂。

圖8 內(nèi)襯無(wú)縫不銹鋼換熱管圖

9 內(nèi)襯焊接不銹鋼換熱管

2.4 熱傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)試：

測(cè)試設(shè)備：TA 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，采用標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 225882008 閃光發(fā)測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)測(cè)試結(jié)果如表5所示：

從表5可以看出，不銹鋼復(fù)合管的系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)+不銹鋼壁厚*不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)）/（不銹鋼壁厚+碳鋼壁厚），從而也從另一個(gè)側(cè)面證明了本工藝制作的不銹鋼管結(jié)合強(qiáng)度及其優(yōu)異。

3 關(guān)鍵技術(shù)工藝與創(chuàng)新

（1）銹鋼換熱管的結(jié)合性能和傳熱性能。該鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管經(jīng)過(guò)機(jī)械性能和力學(xué)性能測(cè)試，拉脫力已達(dá)到基材的極限應(yīng)力且復(fù)合層不分離，折彎、壓扁、切削等變形復(fù)合層同樣不分離。因此，該鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管結(jié)合非常緊密，雙層金屬完全融合在一起了，在國(guó)內(nèi)外復(fù)合管成品中是絕無(wú)僅有的。

（2）通過(guò)碳鋼不銹鋼復(fù)合新工藝，研究復(fù)合換熱管的傳熱性能和得熱率。測(cè)試結(jié)果表明：該復(fù)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(fù)合管是一種新型的高性能復(fù)合換熱管，完全能用于換熱器設(shè)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(yīng)用于換熱器設(shè)備中，是國(guó)內(nèi)化工設(shè)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(fù)合換熱管的工業(yè)應(yīng)用中焊接等工藝方法，使換熱器傳熱效率高、設(shè)備成本降低等優(yōu)勢(shì)。

（4）研究制定了鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管工業(yè)應(yīng)用規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管的力學(xué)性能測(cè)試、傳熱性能測(cè)試及抗腐蝕性能測(cè)試，制定鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管企業(yè)使用規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量的使用。

結(jié)語(yǔ)

中國(guó)鋼鐵行業(yè)協(xié)會(huì)于2015年11月17日，在北京主持召開(kāi)了“鍋爐、熱交換器不銹鋼換熱管”科技成果評(píng)價(jià)（鑒定）會(huì)，與會(huì)鋼管及石油化工專家聽(tīng)取了天陽(yáng)的工作報(bào)告，認(rèn)為該項(xiàng)目提高了碳鋼不銹鋼復(fù)合管的結(jié)合性能和傳熱性能，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）該產(chǎn)品采用管內(nèi)管外同事外擠內(nèi)擴(kuò)方法以及同時(shí)金屬熔融方法，使兩層鋼管結(jié)合成一體，其結(jié)合強(qiáng)度及傳熱性能已顯著超越現(xiàn)有的復(fù)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(kuò)口壓扁無(wú)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(yīng)用于熱交換器。

4 結(jié)語(yǔ)換熱器是生產(chǎn)過(guò)程中常用的化工設(shè)備，其形式多種多樣，廣泛運(yùn)用于石油、化工、電力、核工業(yè)、制冷、環(huán)保等部門(mén)。不銹鋼復(fù)合換熱管的推廣，將極大增強(qiáng)中國(guó)制造換熱器的世界市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。用復(fù)合管替代單一貴金屬材料管材是可持續(xù)化發(fā)展的要求，迎合了我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，能有效節(jié)約企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，提高企業(yè)的工作效率。在提高我國(guó)生產(chǎn)、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(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、增加稅收、提高就業(yè)率。

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作者介紹

上海天陽(yáng)鋼管有限公司副總工程師，工程師，PPVC 防腐設(shè)備制造學(xué)術(shù)研究工作部副主任。畢業(yè)于華東理工大學(xué)，學(xué)士學(xué)位。參與國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品（高鐵專用液壓精密鋼管）、高通量管、海水淡化管、直飲水鋼管的研發(fā)制造工作。參與14項(xiàng)專利，不銹鋼復(fù)合換熱管獲得中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

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