文/莊國(guó)棟 佛山市新澤昌不銹鋼有限公司

該項(xiàng)目獲得2016年中國(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)

介紹了一種不銹鋼復(fù)合換熱管的制造新工藝，可用于鍋爐和換熱設(shè)備的換熱管。 對(duì)采用該復(fù)合管研制生產(chǎn)的鍋爐和換熱器用不銹鋼復(fù)合管進(jìn)行了性能對(duì)比研究。 通過(guò)與國(guó)內(nèi)外常用雙金屬?gòu)?fù)合管的性能對(duì)比，研究結(jié)果表明：不銹鋼復(fù)合換熱管在雙金屬層結(jié)合、導(dǎo)熱性能、耐腐蝕性能等方面均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。 新材料在器件領(lǐng)域取得重大突破。 本文還分析了不銹鋼復(fù)合管的工業(yè)應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞: 層間結(jié)合力, 導(dǎo)熱系數(shù), 不銹鋼復(fù)合管, 鍋爐, 換熱器

不銹鋼復(fù)合換熱管可以替代純不銹鋼換熱管，不僅耐腐蝕，而且強(qiáng)度高，價(jià)格低廉。 然而，傳統(tǒng)的單金屬管和普通的雙金屬?gòu)?fù)合管很難滿足鍋爐和換熱器行業(yè)的要求，同時(shí)滿足高強(qiáng)度、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕性能等看似矛盾且苛刻的性能要求。

這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法生產(chǎn)的雙金屬?gòu)?fù)合管在不同程度上存在著一些難以克服的缺點(diǎn)，如結(jié)合力不足，無(wú)法克服熱環(huán)境中兩種金屬膨脹率不同（通常是管材的結(jié)合力）的困難。復(fù)合管在0.2MPa-1.5MPa)，不能進(jìn)行熱處理等塑性加工，因此不能用于很多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

目前，現(xiàn)有的普通雙金屬?gòu)?fù)合管在結(jié)合力、換熱效率和加工工藝等方面都不能滿足換熱器用換熱管的要求，僅適用于流體輸送和結(jié)構(gòu)承重。 因此，從高效節(jié)能的角度出發(fā)，研發(fā)和制造鍋爐、換熱器用不銹鋼換熱管具有重要意義。

針對(duì)這些問(wèn)題，本項(xiàng)目開(kāi)展了鍋爐、換熱器用不銹鋼換熱管的研制工作。 為使產(chǎn)品滿足上述工業(yè)應(yīng)用要求，構(gòu)想了一種創(chuàng)新材料——鍋爐和熱交換器用不銹鋼復(fù)合材料。 新材料吸取了原有材料的優(yōu)點(diǎn)，在材料性能方面取長(zhǎng)補(bǔ)短。 其綜合性能優(yōu)于單一金屬材料，滿足了行業(yè)的生產(chǎn)需求，越來(lái)越受到客戶的青睞。

采用三元聚合技術(shù)開(kāi)發(fā)制造新一代復(fù)合管——鍋爐、換熱器用不銹鋼換熱管（聚合物管）。 本產(chǎn)品替代不銹鋼可節(jié)約材料成本30%-40%。 本產(chǎn)品基管材質(zhì)為碳鋼，內(nèi)復(fù)合材質(zhì)為不銹鋼。 雙金屬?gòu)?fù)合層通過(guò)外管同時(shí)外擠內(nèi)脹的方法和金屬同時(shí)熔化的方法合二為一。 管材內(nèi)外同時(shí)擠壓擴(kuò)徑的方法屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，雙金屬熔煉法作為國(guó)內(nèi)外復(fù)合管材加工技術(shù)尚未涉及的新工藝、新方法提出. 本產(chǎn)品層間結(jié)合強(qiáng)度接近冶金級(jí)復(fù)合管，比機(jī)械復(fù)合管高1050倍； 更可貴的是，由于中間金屬層的存在，將碳鋼和不銹鋼分開(kāi)，使得不銹鋼鍋爐和換熱器換熱管的耐腐蝕性能極其優(yōu)異。

制造研發(fā)過(guò)程

本項(xiàng)目采用復(fù)合新技術(shù)。 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)外管同時(shí)外擠內(nèi)脹的方法，采用雙金屬?gòu)?fù)合層組合成復(fù)合管。金屬熔煉法。 管材內(nèi)外同時(shí)擠壓擴(kuò)徑的方法屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，雙金屬熔煉法作為國(guó)內(nèi)外復(fù)合管材加工技術(shù)尚未涉及的新工藝、新方法提出. 因此，本項(xiàng)目的復(fù)合工藝具有創(chuàng)新性和突破性。 這種復(fù)合工藝新方法技術(shù)含量高，熱工工藝要求和方案滿足鍋爐、換熱器用不銹鋼換熱管的性能要求。

性能測(cè)試與分析

2.1 力學(xué)性能研究

2.1.1 單軸靜態(tài)拉伸試驗(yàn)

單軸靜態(tài)拉伸試驗(yàn)是指在常溫、大氣環(huán)境下，對(duì)試樣沿軸向緩慢施加單向拉伸載荷，使其伸長(zhǎng)變形直至斷裂的過(guò)程。 按照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》的規(guī)定，對(duì)鍋爐、換熱器用不銹鋼換熱管進(jìn)行單向靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。 樣品通過(guò)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。 為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，本次試驗(yàn)取鍋爐、換熱器用不銹鋼換熱管4個(gè)試樣，分別編號(hào)為1～4號(hào)試樣，分別測(cè)定屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。

對(duì)上表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得出：

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，鍋爐和換熱器用不銹鋼換熱管與不銹鋼管相比，實(shí)驗(yàn)條件在屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率方面都很好，能夠滿足力學(xué)條件不銹鋼。

2.1.2 壓扁試驗(yàn)

從雙金屬鍋爐換熱器不銹鋼換熱管樣管上截取4段全斷面管段，長(zhǎng)度為20mm，用銼刀修圓邊。 將制備好的樣品在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓扁試驗(yàn)。 壓扁試驗(yàn)的結(jié)果如下所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鍋爐和換熱器用不銹鋼換熱管無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象，兩金屬層間的延展性和結(jié)合性能良好。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)鍋爐和換熱器用不銹鋼換熱管進(jìn)行了材料性能試驗(yàn)。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性能試驗(yàn)，得出主要力學(xué)性能指標(biāo)，并與316不銹鋼管的力學(xué)性能進(jìn)行比較，結(jié)果如下：

(1)通過(guò)單軸靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，得到鍋爐、換熱器用不銹鋼換熱管的基本力學(xué)性能。 鍋爐換熱器用不銹鋼換熱管的屈服強(qiáng)度為 ，抗拉強(qiáng)度為 ，延伸率為47.5%，與不銹鋼管相比，在屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率方面實(shí)驗(yàn)條件較好，可滿足不銹鋼的力學(xué)條件；

(2)通過(guò)壓扁試驗(yàn)，結(jié)果表明鍋爐和換熱器用不銹鋼換熱管無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象，兩金屬層間的延展性和結(jié)合性能良好。

圖 1 燃燒實(shí)驗(yàn)

圖2 結(jié)合力實(shí)驗(yàn)

圖3 展平實(shí)驗(yàn)

圖4 彎管實(shí)驗(yàn)

2.2耐腐蝕試驗(yàn)：

為了測(cè)試不銹鋼換熱管在鍋爐和換熱器中的耐腐蝕性能，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是動(dòng)電位掃描實(shí)驗(yàn)和應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)。

2.2.1動(dòng)電位掃描測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案：

本次試驗(yàn)所用試件分為三組：不銹鋼管、無(wú)縫鍋爐內(nèi)襯、換熱器用不銹鋼換熱管、焊接鍋爐內(nèi)襯、換熱器用不銹鋼換熱管。 每組三個(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、焊接化合物-3。 所有樣品均在氯離子濃度為 30ppm 和 . 的超純水中進(jìn)行動(dòng)態(tài)電位掃描測(cè)試。

2.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

一系列電化學(xué)分析儀/工作站，如圖5和圖6所示。

圖 電化學(xué)分析儀連接形式

圖6 試件連接形式

2.2.3 測(cè)試結(jié)果：

從表4可以看出，試件在含氯離子濃度分別為30ppm和30ppm的超純水溶液中的腐蝕傾向。 在30ppm的情況下，無(wú)縫內(nèi)管的腐蝕電流密度為1.13E-07μA·mm-2，焊接內(nèi)管的腐蝕電流密度約為1.72E-07μA·mm-2。 所考慮的試驗(yàn)系統(tǒng)中可能存在的誤差和隨機(jī)誤差，認(rèn)為三者具有相似的腐蝕傾向。

在一定條件下，腐蝕速率因氯離子濃度降低而降低。 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，兩種管的腐蝕傾向被認(rèn)為是相同的。

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：

試液用ASMT G38規(guī)定的分析純氯化鎂加蒸餾水或去離子水配制，所用20%氯化鎂水溶液的pH值在室溫下必須在3～7范圍內(nèi)。 加熱并調(diào)節(jié)其沸點(diǎn)為155℃±1℃，氯化鎂溶液的濃度約為45%。

2.3.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過(guò)程：

為防止試液濃縮，必須使用帶錐形磨口密封的玻璃燒瓶，并配備有足夠冷量的立式玻璃回流冷凝器和能使試液保持在一定溫度下的加熱裝置。微沸狀態(tài)，試驗(yàn)設(shè)備和裝置 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖7。

觀察溫度計(jì)，若溫度低于155℃，則在錐形瓶頂部加入少量六水氯化鎂晶體，若溫度高于155℃，則加入少量試劑水（0.5 mL to 1mL)調(diào)節(jié)溶液濃度，直至顯示溫度為155℃

1°C。

溫度調(diào)好后，溶液應(yīng)保持沸騰約1小時(shí)后方可放入試品。待試品溶液完全沸騰后，放入過(guò)應(yīng)力試品。 這個(gè)時(shí)刻被用作測(cè)試開(kāi)始時(shí)間。 樣品浸沒(méi)在溶液中。 時(shí)間應(yīng)該是24小時(shí)。

圖7 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)裝置示意圖

本次試驗(yàn)采用的試件分為三組：無(wú)縫不銹鋼復(fù)合內(nèi)胎和焊接不銹鋼復(fù)合內(nèi)胎。 每組試件3個(gè)，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 測(cè)試結(jié)果：

圖8～圖9為無(wú)縫不銹鋼換熱管內(nèi)襯和焊接不銹鋼換熱管內(nèi)襯試件浸水后的表面顯微情況。 從圖中可以看出，這兩種管材在腐蝕試驗(yàn)中均未出現(xiàn)裂紋，未發(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導(dǎo)熱系數(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)GB/T閃發(fā)器測(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：

表5 導(dǎo)熱系數(shù)比較

溫度 (°C)

/傳熱系數(shù)

不銹鋼

λ[W/(m·k)]

碳素鋼

λ[W/(m·k)]

不銹鋼復(fù)合管

λ[W/(m·k)]

25

11.66

45.61

26.96

50

11.92

45.34

27.57

100

13.41

45.48

28.24

150

14月11日

45.41

28.41

200

15.97

45.16

28.49

300

19.63

46.35

33.51

400

21.95

46.57

36.19

500

22.95

40.34

37.07

600

24.77

35.29

38.21

700

26.01

39.39

39.02

從表5可以看出，不銹鋼復(fù)合管的系數(shù)介于不銹鋼和碳鋼之間西安不銹鋼換熱管，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)，這也從另一個(gè)側(cè)面證明了這種工藝制成的不銹鋼管具有優(yōu)良的結(jié)合強(qiáng)度。

關(guān)鍵工藝與創(chuàng)新

(1)不銹鋼換熱管的結(jié)合性能和傳熱性能。 鍋爐和換熱器的不銹鋼換熱管經(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，復(fù)合層未分離。 復(fù)合層在彎曲、壓扁、切割變形時(shí)也不會(huì)分離。 因此，鍋爐換熱器不銹鋼換熱管結(jié)合非常緊密，雙層金屬完全熔合在一起，在國(guó)內(nèi)外復(fù)合管產(chǎn)品中獨(dú)樹(shù)一幟。

(2)通過(guò)碳鋼與不銹鋼復(fù)合新技術(shù)，研究復(fù)合換熱管的傳熱性能和得熱率。 試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合管的傳熱性能高于不銹鋼管，耐腐蝕性能好，傳熱效率高。 不銹鋼復(fù)合管是一種新型高性能復(fù)合換熱管，可用于換熱設(shè)備，這種不銹鋼換熱管代替純不銹鋼管用于鍋爐和換熱器中換熱器設(shè)備，這是國(guó)產(chǎn)化工設(shè)備在材料上的突破。

(3)研究制定鍋爐、換熱器不銹鋼換熱管、換熱管板焊接工藝。 在復(fù)合換熱管的工業(yè)應(yīng)用中，焊接等工藝方法具有換熱器傳熱效率高、設(shè)備成本低的優(yōu)點(diǎn)。

(4)研究制定鍋爐、換熱器用不銹鋼換熱管工業(yè)應(yīng)用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。 通過(guò)對(duì)鍋爐、換熱器用不銹鋼換熱管的機(jī)械性能試驗(yàn)、傳熱性能試驗(yàn)、耐腐蝕試驗(yàn)，制定本公司對(duì)鍋爐、換熱器用不銹鋼換熱管的使用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確保使用產(chǎn)品質(zhì)量。

結(jié)語(yǔ)

2015年11月17日，中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)在京主辦“鍋爐與換熱器用不銹鋼換熱管”科技成果評(píng)價(jià)（鑒定）會(huì)。 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)本產(chǎn)品采用管內(nèi)外擠壓擴(kuò)徑的方法和金屬同時(shí)熔化的方法，將兩層鋼管合二為一。 其結(jié)合強(qiáng)度和傳熱性能已大大超過(guò)現(xiàn)有的復(fù)合鋼管。

(2)采用該方法生產(chǎn)的鍋爐、換熱器用不銹鋼換熱管塑性加工性能好，擴(kuò)口壓扁無(wú)裂紋，冷彎無(wú)變形，承壓能力好，可采用多種柔性連接方法。

(3)鍋爐、換熱器用不銹鋼換熱管傳熱性能比純不銹鋼管提高近50%，可代替純不銹鋼管用于換熱器。

換熱器是生產(chǎn)過(guò)程中常用的化工設(shè)備。 它們形式多樣，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、核工業(yè)、制冷、環(huán)保等部門。 不銹鋼復(fù)合換熱管的推廣，將大大提升我國(guó)換熱器在世界市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 用復(fù)合管替代單一的貴金屬管是可持續(xù)發(fā)展的要求，迎合了我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，可以有效節(jié)約企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，提高企業(yè)的工作效率。 對(duì)提高我國(guó)的??生產(chǎn)生活水平具有很大的啟示作用。 鍋爐換熱器用不銹鋼換熱管的推廣，可以帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈協(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。

關(guān)于作者

佛山市新澤昌不銹鋼有限公司副總工程師、工程師，PPVC防腐設(shè)備制造學(xué)術(shù)研究室副主任。 畢業(yè)于華東理工大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位。 參與國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品（高鐵用液壓精密鋼管）、高通量管材、海水淡化管材、直飲水鋼管的研發(fā)與制造。 參與專利14項(xiàng)，不銹鋼復(fù)合換熱管獲中國(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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