換熱器的可用材料牌號(hào)較多,選用換熱器的材料一般考慮的因素主要從結(jié)構(gòu)、制造工藝、強(qiáng)度、壓力、介質(zhì)、腐蝕、安全性能方面來考慮。材料選擇不當(dāng)將會(huì)造成安全性能下降或失效,壽命降低。經(jīng)濟(jì)、合理、安全將是設(shè)計(jì)者選用材料首要考慮的因素。近年來,大量研制成功的新材料用于換熱器中。一些進(jìn)口材料的使用使換熱器性能有顯著提高(如1.25Cr、0.5MoSi、2.25Cr-1Mo等),給使用者帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí),在標(biāo)準(zhǔn)的更新中也淘汰了一些低性能的材料。材料技術(shù)的發(fā)展同時(shí)也提高了換熱性能,擴(kuò)大了其使用場合。
(一)換熱器的材料
材料一般分為金屬材料和非金屬材料,金屬材料又分為黑色金屬和有色金屬。下面將介紹常用材料的牌號(hào)及性能。
1.黑色金屬材料
(1)殼體用板材一般選用工藝性能良好、焊接性能好的鎮(zhèn)靜鋼,如:Q235-B、Q235-C、20R,目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)已取消Q235-A和Q235-A.F沸騰鋼。
(2)鍛件一般選用20鍛件,35鍛件很少使用,原因是可焊性較差、易產(chǎn)生裂紋。
(3)管材一般選用10、20、20G。
2.低合金鋼 一般低合金鋼分為碳鋼和CrMo鋼。CrMo鋼主要優(yōu)點(diǎn)是高溫強(qiáng)度較好,并且具有高溫下耐氫腐蝕性能,機(jī)械性能較好,無氫脆現(xiàn)象,韌性較好,焊接性能也較好。
(1)殼體板材一般采用16MnR、16MnRH、15MnVR、15CrMoR、15CrMoRH、18MnMoNbR、1.25Cr0.5MoSi、2.25Cr-1Mo。
(2)換熱管一般選用16Mn、15MnV、12CrMo、15CrMo、12Cr2Mo、1Cr5Mo、12Cr1MoVG、09Cr2AlMoV,1.25Cr0.5MoSi、2.25Cr-1Mo。
(3)鍛件一般選用16Mn、20MnMo、15MnV、20MnMoNb、15CrMo、35CrMo、12Cr1Mo、12Cr2Mo1、1Cr5Mo、1.25Cr0.5MoSi、2.25Cr-1Mo。
3.低溫用鋼 低溫用鋼一般指設(shè)計(jì)溫度≤-20℃的鋼材。高合金鋼一般均可用于低溫狀態(tài)。低合金鋼在低溫狀態(tài)下使用應(yīng)具有良好的韌性,且金屬組織穩(wěn)定。
(1)殼體用板材一般選用16MnDR、09Mn2VDR、07MnNiCrMoVDR、09MnNiDR、15MoNiDR。
(2)傳熱管一般選用16MnD、09MnD。
(3)鍛件選用16MnD、09Mn2VD、09MnNiD、16MnMoD、20MnMoD、08MnNiCrMoD、10Ni3MoVD。
4.高合金鋼 高合金鋼又分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、和奧氏體不銹鋼。馬氏體不銹鋼對(duì)鐵離子、亞硫酸氣體、硫化氫和環(huán)烷酸具有抗腐蝕作用。但馬氏體組織熱處理具有淬硬性、焊接性能較差、易產(chǎn)生裂紋。鐵素不銹鋼對(duì)氧化性酸、硝酸、堿性溶液、無氯溫水、苯和洗滌劑有良好的耐蝕性,但焊接性能差、易產(chǎn)生裂紋。奧氏體不銹鋼有穩(wěn)定的組織,有良好的耐蝕性,低溫性能好,一般適用于-50~-196℃范圍使用,用量較大。為此選用高合金鋼應(yīng)根據(jù)不同介質(zhì)和溫度,選用不同組織的不銹鋼,一般選用牌號(hào)如下。
(1)殼體板材 0Cr13Al、0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni14Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti、0Cr19Ni13Mo3、00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2、00Cr19Ni13Mo3、00Cr18Ni5Mo3Si2。
(2)傳熱管 0Cr13、OCr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2、OCr18Ni12Mo2Ti、0Cr19Ni13Mo3、00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2、00Cr19Ni13Mo3。
(3)鍛件 0Cr13、0Cr18Ni19、0Cr18Ni10Ti、OCr17Ni14Mo2、00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2、00Cr18Ni5Mo3Si2。
5.有色金屬及合金
(1)銅及銅合金 銅又分為紫銅和黃銅(也稱海軍銅),由于具有良好的導(dǎo)熱性、塑性好,低溫沖擊韌性好,在深冷中應(yīng)用較多。紫銅在空氣預(yù)熱器中使用較多。黃銅在稀硫酸、亞硫酸、中等濃度的鹽酸、醋酸、氫氟酸、苯性堿中抗腐蝕良好,因此,海水冷卻器中應(yīng)用較普遍。海軍銅牌號(hào)一般為H62、H65、H70-1、H70Sn-1。
(2)鋁及合金 鋁在大氣中形成致密的氧化保護(hù)膜,故在中性溶液、弱酸中穩(wěn)定性好,鋁鎂合金在海水冷卻器中使用有良好的抗蝕性。
(3)鎳及合金 鎳有很高的強(qiáng)度和塑性,在堿及堿液中形成氧化膜而具有良好的抗腐蝕性能,在鹽酸、氯氣、有機(jī)酸中耐腐蝕較好,抗高溫可達(dá)900℃。
6.稀有金屬 鈦、鉭和鋯及其合金具有很強(qiáng)的耐腐蝕性,但價(jià)格昂貴,使用量很小。目前,常減壓裝置常壓塔頂冷卻器和空冷器對(duì)鈦使用較多,以延長設(shè)備壽命。
7.非金屬材料 用來制造換熱器的非金屬材料主要有石墨、玻璃鋼、陶瓷纖維復(fù)合材料、氟塑料等。非金屬材料主要用于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的場合,如有硝酸、濃硫酸、鹽酸、苛性堿、過氧化物等介質(zhì)的場合。由于管壁熱阻較高,所以傳熱效率較低,且強(qiáng)度低,耐溫耐壓低,抗沖擊性能也較差。
(二)換熱器的防腐
換熱器的使用量大,包括在新建項(xiàng)目、改造項(xiàng)目、更新項(xiàng)目中的使用。而在更新項(xiàng)目中,主要是對(duì)損壞的換熱器進(jìn)行更換。損壞的原因一般由腐蝕造成,據(jù)統(tǒng)計(jì),大概占有90%以上。全國每年由于腐蝕更換的換熱器投資約20億元,為此防腐成為技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。近年來防腐研究經(jīng)費(fèi)投入很大,但技術(shù)發(fā)展緩慢,效果不明顯。由于石油工業(yè)中的原油開采已進(jìn)入中后期,石油中含酸值逐年增加,腐蝕逐年加重。再則中東含酸原油進(jìn)口量猛增,設(shè)備防腐的投資也越來越大。因此,抗腐材料及防腐措施尤為重要。目前,換熱器防腐有如下幾種措施。
1.防腐涂層 一般采用非金屬涂層,常用的水冷器有防腐、防垢涂料847和901,還有Ni-P鍍,但在油氣系統(tǒng)使用較多的是涂陶瓷,現(xiàn)場證明效果較好。但由于換熱器一般可達(dá)6m長,在長度上涂均勻很難做到。如果有一個(gè)點(diǎn)狀缺陷沒涂到腐蝕將會(huì)加劇,所以涂均勻是控制質(zhì)量的重要因素。
2.金屬涂層 一般有鍍Ni、鍍Ti、鍍銅等,工藝效果雖好,但造價(jià)昂貴是阻礙使用的障礙。
3.金屬堆焊 一般采用碳鋼、CrMo鋼堆焊不銹鋼較多,用來抗硫化氫和酸腐蝕。該方法造價(jià)較低,效果很好,一般化肥、乙烯、煉油中加氫、重整、預(yù)加氫使用很多。另外,還有復(fù)合板、雙向鋼管用量也較大,效果較好。
4.緩蝕劑 目前煉油裝置、化工裝置多采用一脫四注的方式較多,效果也較明顯。國外也有露點(diǎn)腐蝕處注水的方式,控制露點(diǎn)腐蝕。
雖然采取了很多措施,但多數(shù)場合收效不大,目前已趨于使用稀有金屬,提高腐蝕技術(shù)將是新世紀(jì)的關(guān)鍵課題,也是廣州擎立一直在改進(jìn)的技術(shù)。