文/佛山市励罗基管业有限公司 庄国栋

该项目获得2016年中国腐蚀与防护学会科学技术奖科技进步一等奖

介绍了一种不锈钢复合换热管的制造新工艺，可用于锅炉和换热设备的换热管。 对采用该复合管研制生产的锅炉和换热器用不锈钢复合管进行了性能对比研究。 通过与国内外常用双金属复合管的性能对比，研究结果表明：不锈钢复合换热管在双金属层结合、导热性能、耐腐蚀性能等方面均达到国际领先水平。 新材料在器件领域取得重大突破。 本文还分析了不锈钢复合管的工业应用和经济社会效益。

关键词: 层间结合力, 导热系数, 不锈钢复合管, 锅炉, 换热器

不锈钢复合换热管可以替代纯不锈钢换热管，不仅耐腐蚀，而且强度高，价格低廉。 然而，传统的单金属管和普通的双金属复合管很难满足锅炉和换热器行业的要求，同时满足高强度、导热性好、耐腐蚀性能等看似矛盾且苛刻的性能要求。

这是因为传统方法生产的双金属复合管在不同程度上存在着一些难以克服的缺点，如结合力不足，无法克服热环境中两种金属膨胀率不同（通常是管材的结合力）的困难。复合管在0.2MPa-1.5MPa)，不能进行热处理等塑性加工，因此不能用于很多工业应用场景。

目前，现有的普通双金属复合管在结合力、换热效率和加工工艺等方面都不能满足换热器用换热管的要求，仅适用于流体输送和结构承重。 因此，从高效节能的角度出发，研发和制造锅炉、换热器用不锈钢换热管具有重要意义。

针对这些问题，本项目开展了锅炉、换热器用不锈钢换热管的研制工作。 为使产品满足上述工业应用要求，构想了一种创新材料——锅炉和热交换器用不锈钢复合材料。 新材料吸取了原有材料的优点，在材料性能方面取长补短。 其综合性能优于单一金属材料，满足了行业的生产需求，越来越受到客户的青睐。

采用三元聚合技术开发制造新一代复合管——锅炉、换热器用不锈钢换热管（聚合物管）。 本产品替代不锈钢可节约材料成本30%-40%。 本产品基管材质为碳钢，内复合材质为不锈钢。 双金属复合层通过外管同时外挤内胀的方法和金属同时熔化的方法合二为一。 管材内外同时挤压扩径的方法属国内首创，双金属熔炼法作为国内外复合管材加工技术尚未涉及的新工艺、新方法提出. 本产品层间结合强度接近冶金级复合管，比机械复合管高1050倍； 更可贵的是，由于中间金属层的存在，将碳钢和不锈钢分开，使得不锈钢锅炉和换热器换热管的耐腐蚀性能极其优异。

制造研发过程

本项目采用复合新技术。 复合材料为：基管材料为碳钢，内衬材料为不锈钢，通过外管同时外挤内胀的方法，采用双金属复合层组合成复合管。金属熔炼法。 管材内外同时挤压扩径的方法属国内首创，双金属熔炼法作为国内外复合管材加工技术尚未涉及的新工艺、新方法提出. 因此，本项目的复合工艺具有创新性和突破性。 这种复合工艺新方法技术含量高，热工工艺要求和方案满足锅炉、换热器用不锈钢换热管的性能要求。

性能测试与分析

2.1 力学性能研究

2.1.1 单轴静态拉伸试验

单轴静态拉伸试验是指在常温、大气环境下，对试样沿轴向缓慢施加单向拉伸载荷，使其伸长变形直至断裂的过程。 按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》的规定，对锅炉、换热器用不锈钢换热管进行单向静态拉伸试验。 样品通过电子万能试验机进行测试。 为保证试验结果的可靠性，本次试验取锅炉、换热器用不锈钢换热管4个试样，分别编号为1～4号试样，分别测定屈服强度、抗拉强度和伸长率。

对上表中的数据进行平均得出：

从实验结果可以看出，锅炉和换热器用不锈钢换热管与不锈钢管相比，实验条件在屈服强度、抗拉强度和延伸率方面都很好，能够满足力学条件不锈钢。

2.1.2 压扁试验

从双金属锅炉换热器不锈钢换热管样管上截取4段全断面管段，长度为20mm，用锉刀修圆边。 将制备好的样品在万能试验机上进行压扁试验。 压扁试验的结果如下所示。

实验结果表明，锅炉和换热器用不锈钢换热管无开裂现象，两金属层间的延展性和结合性能良好。

2.1.3 实验结果

对锅炉和换热器用不锈钢换热管进行了材料性能试验。 通过实验室力学性能试验，得出主要力学性能指标，并与316不锈钢管的力学性能进行比较，结果如下：

(1)通过单轴静态拉伸试验，得到锅炉、换热器用不锈钢换热管的基本力学性能。 锅炉换热器用不锈钢换热管的屈服强度为 ，抗拉强度为 ，延伸率为47.5%，与不锈钢管相比，在屈服强度、抗拉强度和延伸率方面实验条件较好，可满足不锈钢的力学条件；

(2)通过压扁试验，结果表明锅炉和换热器用不锈钢换热管无开裂现象，两金属层间的延展性和结合性能良好。

图 1 燃烧实验

图2 结合力实验

图3 展平实验

图4 弯管实验

2.2耐腐蚀试验：

为了测试不锈钢换热管在锅炉和换热器中的耐腐蚀性能，我们设计了两个实验，分别是动电位扫描实验和应力腐蚀实验。

2.2.1动电位扫描测试实验方案：

本次试验所用试件分为三组：不锈钢管、无缝锅炉内衬、换热器用不锈钢换热管、焊接锅炉内衬、换热器用不锈钢换热管。 每组三个试件，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、焊接化合物-3。 所有样品均在氯离子浓度为 30ppm 和 . 的超纯水中进行动态电位扫描测试。

2.2.2实验设备：

一系列电化学分析仪/工作站，如图5和图6所示。

图 电化学分析仪连接形式

图6 试件连接形式

2.2.3 测试结果：

从表4可以看出，试件在含氯离子浓度分别为30ppm和30ppm的超纯水溶液中的腐蚀倾向。 在30ppm的情况下，无缝内管的腐蚀电流密度为1.13E-07μA·mm-2，焊接内管的腐蚀电流密度约为1.72E-07μA·mm-2。 所考虑的试验系统中可能存在的误差和随机误差，认为三者具有相似的腐蚀倾向。

在一定条件下，腐蚀速率因氯离子浓度降低而降低。 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，两种管的腐蚀倾向被认为是相同的。

表4 氯离子腐蚀倾向

2.3 应力腐蚀试验实验方案及设备：

试液用ASMT G38规定的分析纯氯化镁加蒸馏水或去离子水配制，所用20%氯化镁水溶液的pH值在室温下必须在3～7范围内。 加热并调节其沸点为155℃±1℃，氯化镁溶液的浓度约为45%。

2.3.1 试验设备及试验过程：

为防止试液浓缩，必须使用带锥形磨口密封的玻璃烧瓶，并配备有足够冷量的立式玻璃回流冷凝器和能使试液保持在一定温度下的加热装置。微沸状态，试验设备和装置 应力腐蚀试验装置见图7。

观察温度计，若温度低于155℃，则在锥形瓶顶部加入少量六水氯化镁晶体，若温度高于155℃，则加入少量试剂水（0.5 mL to 1mL)调节溶液浓度，直至显示温度为155℃

1°C。

温度调好后，溶液应保持沸腾约1小时后方可放入试品。待试品溶液完全沸腾后，放入过应力试品。 这个时刻被用作测试开始时间。 样品浸没在溶液中。 时间应该是24小时。

图7 应力腐蚀试验装置示意图

本次试验采用的试件分为三组：无缝不锈钢复合内胎和焊接不锈钢复合内胎。 每组试件3个，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 测试结果：

图8～图9为无缝不锈钢换热管内衬和焊接不锈钢换热管内衬试件浸水后的表面显微情况。 从图中可以看出，这两种管材在腐蚀试验中均未出现裂纹，未发生开裂。

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导热系数测试：

测试设备：TA导热系数测试仪，采用标准GB/T闪发器测量热扩散系数或导热系数

测试结果如表5所示：

表5 导热系数比较

温度 (°C)

/传热系数

不锈钢

λ[W/(m·k)]

碳素钢

λ[W/(m·k)]

不锈钢复合管

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

从表5可以看出，不锈钢复合管的系数介于不锈钢和碳钢之间，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)，这也从另一个侧面证明了这种工艺制成的不锈钢管具有优良的结合强度。

关键工艺与创新

(1)不锈钢换热管的结合性能和传热性能。 锅炉和换热器的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，复合层未分离。 复合层在弯曲、压扁、切割变形时也不会分离。 因此，锅炉换热器不锈钢换热管结合非常紧密，双层金属完全熔合在一起，在国内外复合管产品中独树一帜。

(2)通过碳钢与不锈钢复合新技术，研究复合换热管的传热性能和得热率。 试验结果表明，复合管的传热性能高于不锈钢管，耐腐蚀性能好，传热效率高。 不锈钢复合管是一种新型高性能复合换热管，可用于换热设备，这种不锈钢换热管代替纯不锈钢管用于锅炉和换热器中换热器设备，这是国产化工设备在材料上的突破。

(3)研究制定锅炉、换热器不锈钢换热管、换热管板焊接工艺。 在复合换热管的工业应用中一种高效不锈钢换热管一种高效不锈钢换热管，焊接等工艺方法具有换热器传热效率高、设备成本低的优点。

(4)研究制定锅炉、换热器用不锈钢换热管工业应用规范和标准。 通过对锅炉、换热器用不锈钢换热管的机械性能试验、传热性能试验、耐腐蚀试验，制定本公司对锅炉、换热器用不锈钢换热管的使用规范和标准，确保使用产品质量。

结语

2015年11月17日，中国钢铁工业协会在京主办“锅炉与换热器用不锈钢换热管”科技成果评价（鉴定）会。 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)本产品采用管内外挤压扩径的方法和金属同时熔化的方法，将两层钢管合二为一。 其结合强度和传热性能已大大超过现有的复合钢管。

(2)采用该方法生产的锅炉、换热器用不锈钢换热管塑性加工性能好，扩口压扁无裂纹，冷弯无变形，承压能力好，可采用多种柔性连接方法。

(3)锅炉、换热器用不锈钢换热管传热性能比纯不锈钢管提高近50%，可代替纯不锈钢管用于换热器。

换热器是生产过程中常用的化工设备。 它们形式多样，广泛应用于石油、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，将大大提升我国换热器在世界市场的竞争力。 用复合管替代单一的贵金属管是可持续发展的要求，迎合了我国经济发展的需要，可以有效节约企业的运营成本，提高企业的工作效率。 对提高我国的??生产生活水平具有很大的启示作用。 锅炉换热器用不锈钢换热管的推广，可以带动相关产业链协调发展，促进地方经济发展，增加税收，提高就业率。

关于作者

佛山市利亚罗基管业有限公司副总工程师、工程师，PPVC防腐设备制造学术研究室副主任。 毕业于华东理工大学，获学士学位。 参与国家重点新产品（高铁用液压精密钢管）、高通量管材、海水淡化管材、直饮水钢管的研发与制造。 参与专利14项，不锈钢复合换热管获中国腐蚀与防护学会科学技术奖科技进步一等奖。

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