CN1295663A - 换热器管、制造换热器管的方法和冷凝器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尤其用于冷凝器(10)的换热器管(1),它包括一个被外层(2)包围的内层(3)。这两层(2;3)互相固定连接,其中一层(2;3)有高耐腐的镀覆材料(4),而另一层(3;2)有低耐腐的基本材料(5)。此外,本发明还涉及制造换热器管(1)的方法以及冷凝器(10)。

Description

换热器管、制造换热器管 的方法和冷凝器

本发明涉及一种尤其用于冷凝器的换热器管，它有一外层和一被外层包围的内层。

换热器管应用于不同类型的换热器，在换热器中，一种介质的热量被传递给另一种介质。由此例如可以将一种介质加热至蒸发以及将一种介质冷却至冷凝。在Fischer企业集团95年7月的情报资料“Rohrtechnik aktuell”中题为“DIL-die neue Formel fuer ein innovatives Rohrkonzept”的论文说明了一种用于排气装置，尤其是用于排气弯头的双层壁管。这种双层壁管用不锈钢制造，由此提供了一个有良好流动特性的光滑的管内表面。为了制造这种双层壁管，将两条纵切的料带在一道连续的工序中轧制成型并在接合边借助激光焊焊接。如此制成的双层壁管与迄今已知的双层壁管一样由两个通过共同的焊缝互相连接的管壁组成。事实证明，采用仅仅在焊缝处形成连接而制成的双层壁管，在内外管分界面处有效地隔离管道的声响，所以使用这种双层壁管可达到有效地消音。

在EP 0619466 B1中说明了称为凝汽器的换热器，其中涉及用于汽轮机的矩形结构形式的表面式凝汽器。在这里凝汽器通过排汽接管与汽轮机连接蒸汽经由排汽接管流入凝汽器颈部。凝汽器包括成束的换热器管，蒸汽沿其全长在外面绕流。换热器管内部流过冷却水。每一束换热器管借助于垂直于换热器管设置的支板再分成分室。

在奥地利专利文件AT 350286中说明了一种用于铝散热器(例如汽车用的)换热器管。在这里，换热器管是由两种不同的铝合金组成的复合管，它们互相通过轧制固定在一起。其中，总是有两条不同铝合金的薄带互相固定地轧制在一起。这种固定地轧制的带通过缝焊成为圆管。这种换热器管在内侧有一种耐腐蚀的铝合金(涂层、包覆层)，而在外侧有相对而言厚得多的构成基本材料的铝合金。在这里，内层材料相对于基本材料在含水的环境中(例如由于在汽车散热器内的防冻液造成)是阳极的。由此做到如果镀层(护膜)出现局部破口，通过较大的阳极(护膜)和小的阴极产生的电流有这样的作用，即它将阻止基本材料穿孔并阴极地防止它进一步破坏。

在法国专利申请2389863中介绍了一种复合材料制的换热器管，它规定用于冰箱或采暖设备。在这里，换热器管有铝合金的管状基体，它不仅内部而且外部都镀覆另一种铝-硅合金。

本发明的目的是提供一种高耐腐性的换热器管。本发明另一些目的在于，提供一种制造换热器管的方法以及一种冷凝器。

按本发明首先提到的目的通过一种尤其用于冷凝器的换热器管达到，这种换热器管有一个外层和一个被外层包围的内层，在这里这两层互相固定连接，其中一个层具有高耐腐的镀覆材料，例如含重量百分比超过20％的铬的不锈铬钢或钛合金、钽合金或锆合金，而另一层则具有低耐腐的基本材料，例如含重量百分比超过10％的铬的铬钢。

本发明以下列认识为出发点，即，换热器管除良好热导率外还需有良好的耐腐蚀性，尤其在它们与腐蚀性的水如湖水、苦咸水或被污染的河水接触时。特别是由于水或其他介质含有盐、含有机物质或经化学调制时更需良好的耐腐蚀性。良好热导率以及与之相关联的良好热交换主要通过换热器管小的壁厚达到。当例如用不锈钢或钛作为换热器管的材料时，可以获得高的耐腐性，以及采用薄壁设计还可以实现良好的热交换，在这种情况下，与铜合金制的换热器管相反，经过长时间的工作基本上不发生壁厚的减小。尤其对于特别耐腐蚀的材料而言，例如含钼的CrNi不锈钢、钛合金、锆合金和钽合金，由于高的材料和生产费用，减小壁厚可以显著降低成本。当然，鉴于可生产性、加工和负荷方面的限制，在例如低于用来制造管的基本材料的某个厚度时将导致生产过程的成本明显增高，这种换热器管的安装尤其考虑到容易损坏因而比较困难。此外，这些材料在将换热器管例如固定在冷凝器或换热器的管板内时带来问题，因为通过扩张在管板内的管只能获得低的附着强度和密封性。其原因另外还在于，高耐腐性的不锈钢，例如超级奥氏体、超级双联或超级铁素体，基于其合金成分有高的强度，所以它们在用低合金含量的低强度钢制造的管板内，尤其在管壁厚度较小和孔的接片间距较小时，没有足够高的强度和密封性。因此对这种用高耐腐材料或钛构成的换热器管可能要求将它们焊在电镀的管板内，这是非常费时的。此外，这种用高耐腐材料制的管子疲劳强度低，所以采用的用于抑制这种薄壁换热器管振动的支板数量必须较大，其结果是增加生产换热器，尤其是冷凝器的结构性费用。

采用按本发明有一种由高耐腐材料和低耐腐材料组成的复合材料的换热器管，提供了一种换热器管，它包括一种强度较高和高耐腐的接触材料和一种低合金含量且强度较低的基本材料，它不仅允许简单地固定在管板内，而且在壁厚小时有良好的疲劳强度。取决于对换热器管的要求，要么外层要么内层可具有高耐腐的镀覆材料。若例如换热器管被一种腐蚀性作用的介质、例如含盐的水从内部流过，则内层有高耐腐的镀覆材料。反之，若换热器管被一种腐蚀性介质从外部绕流，则外层有高耐腐的镀覆材料。

换热器管优选地设计为薄壁，因此在一种在内部流动的介质与一种绕流换热器管的介质之间有良好的热交换。在这里，壁厚优选地在0.3mm与2mm之间，以及，尤其在应用于作为汽轮机冷凝器的换热管时在约0.5mm的范围内。

有镀覆材料的层的分壁厚优选地小于有基本材料的层的分壁厚。优选地，基本材料的分壁厚为镀覆材料的分壁厚的1.5倍。因此对换热器管与腐蚀性介质接触的表面提供了十分有效的防腐蚀保护，与此同时，基本材料的性质对于振动稳定性以及由于基本材料较低的强度且因此有更好的变形能力而对于将换热器管方便地固定在管板上都是有助的。

具有镀覆材料的层的分壁厚优选地在0.1mm和0.5mm之间，尤其约0.2mm。具有基本材料的层的分壁厚优选地在0.2mm和1.5mm之间，尤其约0.3mm。

接触腐蚀性介质的镀覆材料优选地是高合金钢，尤其是超级铁索体、超级双联或超级奥氏体。这些合金钢优选地有下列合金成分(数据均按重量百分比计)：

超级铁索体：27％至31％铬，1％至5％镍，以及2％至4％钼，尤其是约29％铬。

超级双联：23％至27％铬，4％至8％镍，2％至5％钼，以及超过0.1％的氮，尤其约25％铬，5％至8％镍和3％至5％钼。

超级奥氏体：20％至25％铬，20％至25％镍，3％至7％钼，以及超过0.2％的氮。

基本材料优选是铬的重量百分比含量在10％至17％之间的铁素体铬钢。作为替换，基本材料也可以是含16％至20％铬和6％至10％镍，尤其是约18％铬和约8％镍的奥氏体钢。

此复合材料优选地有一种由镀覆材料和基本材料按类型超级铁素体/铁素体、超级双联/铁素体、超级双联/奥氏体或超级奥氏体/奥氏体的组合。也可以根据换热器管的使用领域采用别的配对，如超级双联/双联或超级奥氏体/双联。

换热器管优选地用一条复合材料的带弯卷成管子并沿纵向缝焊接，在这种情况下外表面和内表面在纵向缝的区域内不发生基本材料与镀覆材料的掺混，而是与之相反。由此保证在接触腐蚀性介质的那个表面上的高耐腐镀覆材料有相应的纯度和壁厚，所以在纵向缝处有与整个接触腐蚀性介质的表面一样好的防腐特性。因此避免了由于纵向缝焊接而不允许地破坏耐腐蚀性。

按本发明在一种制造具有外层和被外层包围的内层的换热器管的方法中，低合金的基本材料，即一种铬的重量百分比含量在10％以上的铬钢镀覆一种高耐腐的镀覆材料。在这里，在一种适用的低合金基本材料上可镀一层由铬的重量百分比含量在20％以上的不锈铬钢或钛合金、钽合金或锆合金制成的高耐腐的镀覆材料层。由如此镀覆后的基本材料制成薄壁焊管坯以及再由此焊管坯弯卷成换热器管并沿纵向缝通过加少量的热来熔焊。由于采用加最少量热以及高的冷却速度的焊接方法，如激光焊或电子束焊，在焊缝区内直至与腐蚀性介质接触的表面不发生基本材料与镀覆材料的任何破坏性掺混。镀覆可借助已知的镀覆方法，如轧制金属包层、压焊和爆炸焊接完成。当轧制金属包层和压焊时，镀覆材料和基本材料需要足够的延展性，而爆炸堆焊还可以处理硬的耐磨的镀覆材料。借助于冷轧或热轧可以镀覆基本材料的大板。借助于爆炸堆焊还可以为含钛熔合物的钢镀覆。

在采用轧制金属包层(cladding by rolling)方法时首先制造一条宽带钢，在这时应考虑由于不同的合金含量引起的在带钢热轧和冷轧时不同的变形阻力。然后由宽带钢制成窄带钢，后者成形为管并加小量热在纵缝区焊接。与焊接时基本材料与镀覆材料严重掺混的焊接方法，尤其是保护气体焊接方法相比，当采用激光束焊或电子束焊接时，可以在基本材料与镀覆材料不掺混的情况下获得最高纯度和精度的焊缝。电子束焊可以制成深和窄的焊缝和特别窄的受热影响区，也就是说对复合材料的热影响最小。此外，由于加小量的热，所以变形和应力也小，从而可以实现精密焊接。由于同样不需要摄取氢、氧或氮，因而尤其在反应金属处可形成纯净和不变脆的焊缝。此外，这种高的能量密度允许在很薄的零件上实现高的焊接速度和显微焊接。可以焊接高熔点的金属以及由于加热量小可以焊接熔点差别很大的材料。采用激光束焊接也可以提供同样的优点，在这种情况下激光束焊接优选地适用于壁厚小于1mm，所以激光束焊接可以有利地使用于约0.5mm壁厚的薄壁管。因此，与传统的惰性气体保护焊接方法，如借助于一个不消耗的钨电极和一个在保护气体气氛中的电极进行的钨-惰性气体(WIG)焊接(这种焊接方法优选地用于焊接高合金钢)相比，具有高能量密度的激光束熔焊特别适用于制造具有复合材料的换热器管。

针对冷凝器提出的目的按本发明通过一种尤其用于汽轮机的冷凝器达到，它有许多由具有外层和内层的复合材料制的换热器管，其中复合材料有一种高耐腐的镀覆材料和一种低耐腐的基本材料。在这里，若换热器管的外表面与腐蚀性介质接触，则镀覆材料构成外层。若换热器管的内表面与腐蚀性介质接触，则镀覆材料构成内层。对于冷凝器的换热器管，它们被冷却水流过，冷却水例如取自河、湖或海，相应地内层由镀覆材料构成。因此提高了换热器管的耐腐蚀性，以及另一方面通过用基本材料制成外层使得在冷凝器管板内有高的振动稳定性和可靠的固定。

下面借助于在附图中表示的实施例进一步说明换热器管和冷凝器。附图局部地且不按比例地和示意性地表示：

图1示出由复合材料制的焊管坯；

图2示出由复合材料制的换热器管；以及

图3为冷凝器的局部纵剖面。

在图1至3中使用的附图标记全都有相同的含意。

图1为焊管坯7的斜视图。此焊管坯7具有一种由低合金含量的低强度钢制成的基本材料5，在它上面借助于镀覆方法，尤其借助一种轧制金属包层方法包覆一种高耐腐、高合金钢。焊管坯7的壁厚15在0.5mm范围内。基本材料5的分壁厚17大于镀覆材料4的分壁厚16。在具有壁厚15约为0.5mm的换热器管1(见图2)中，基本材料的分壁厚约为0.3mm以及镀覆材料4的分壁厚16约为0.2mm。

图2用斜视图表示一换热器管1，它由焊管坯7(见图1)成形制成。换热器管1沿纵向缝6并借助电子束焊或激光束焊接法焊接。此换热器管1在内层3有镀覆材料4以及在外层2有基本材料5。换热器管1通过沿纵向缝6借助于电子束焊或激光束焊接法焊接，做到既不在外表面8也不在内表面9上发生基本材料5与镀覆材料4之间的掺混。由此保证沿纵向缝6所要求的材料特性，亦即在与腐蚀性介质接触的表面有高耐腐蚀性，而尤其为了在冷凝器管板内固定而有低的强度。腐蚀性介质、例如冷却水在内部流过换热器管1。

图3表示冷凝器10的局部纵剖面。冷凝器10有许多根换热器管1，为了看得清楚起见只表示了其中的四根。换热器管1固定在冷凝器10管板11内。此外，它们在换热器没有表示的两个端部之间借助于许多支板12支承。换热器管1由于使用由基本材料5和镀覆材料4组成的复合材料而有高的振动稳定性，所以可以减少支板12的数量。换热器管1被一种冷却剂13尤其是水流过。它的外表面8(见图2)被来自图中未表示的汽轮机的蒸汽14绕流，该蒸汽14在换热器管1(冷凝器管)上凝结并从冷凝器10排出。若冷却剂13例如来自河、湖或海，则这种冷却剂13会导致增加换热器管1的腐蚀。这种情况通过高耐腐的镀覆材料4即便不是完全防止也是在很大程度上减轻了。通过在管板11区管1内部轧制，管1通过基本材料5相应的变形发生扩张，由此实现管1在管板11内可靠的固定(张紧)。

Claims (13)

1．一种尤其用于一冷凝器(10)的换热器管(1)，它包括一外层(2)和一内层(3)，内层被外层(2)包围，其中，这两层(2、3)互相固定连接以及其中一层(2；3)有高耐腐的镀覆材料(4)，而另一层(3；2)有低耐腐的基本材料(5)，低耐腐基本材料(5)有铬的重量百分比含量超过10％的铬钢和/或镀覆材料有铬的重量百分比含量超过20％的不锈铬钢或钛合金、钽合金或锆合金。

2．按照权利要求1所述的换热器管(1)，它设计成薄壁状，其壁厚(15)在0.3mm与2mm之间。

3．按照权利要求1或2所述的换热器管(1)，其中，具有镀覆材料(4)的层(2；3)的分壁厚(16)比具有基本材料(5)的层(3；2)的分壁厚(17)小，尤其约小50％。

4．按照权利要求3所述的换热器管(1)，其中，具有镀覆材料(4)的层(2；3)的分壁厚(16)在0.1mm与0.5mm之间，尤其约为0.2mm。

5．按照权利要求3或4所述的换热器管(1)，其中，具有基本材料(4)的层(3；2)的分壁厚(17)在0.2mm与1.5mm之间，尤其约为0.3mm。

6．按照上述任一项权利要求所述的换热器管(1)，其中，镀覆材料(4)是一种超级铁素体，尤其是含有27％-31％Cr，1％-5％Ni和2％-4％Mo(数据按重量百分比计)。

7．按照上述任一项权利要求所述的换热器管(1)，其中，镀覆材料(4)是超级双联，尤其是含有23％-27％Cr，4％-8％Ni和2％-5％Mo以及超过0.1％的N(数据按重量百分比计)。

8．按照上述任一项权利要求所述的换热器管(1)，其中，镀覆材料(4)是超级奥氏体，尤其是含有20％-25％Cr，20％-25％Ni，3％-7％Mo，以及超过0.2％的N(数据按重量百分比计)。

9．按照权利要求5或6所述的换热器管(1)，其中，基本材料(5)是含10％-17％Cr的铁素体的铬钢(数据按重量百分比计)。

10．按照权利要求6或7所述的换热器管(1)，其中，基本材料(5)是含16％-20％Cr和6％-10％Ni，尤其是18％Cr和8％Ni的奥氏体的铬钢(数据按重量百分比计)。

11．按照上述任一项权利要求所述的换热器管(1)，它有一外表面(12)和一内表面(13)以及沿一条纵向缝(6)焊接，其中，沿纵向缝(6)在外表面(12)和内表面(13)各自的附近分别只存在镀覆材料(4)或基本材料(5)。

12．一种制造具有外层(2)和被外层围绕的内层(3)的换热器管(1)的方法，其中，

a)低合金的基本材料(5)用高耐腐的镀覆材料(4)镀覆，其中，作为低合金含量的基本材料(5)采用铬的重量百分比含量超过10％的铬钢和/或作为高耐腐的镀覆材料(4)采用铬的重量百分比含量超过20％的不锈铬钢、钛合金、钽合金或锆合金，

b)由此生产薄壁焊管坯(7)，以及

c)由焊管坯(7)弯卷成换热器管(1)，并沿纵向缝(6)尤其借助激光焊通过加少量的热焊接。

13．一种尤其用于汽轮机的冷凝器，它包括许多根分别有一外层(2)和一个被外层(2)包围的内层(3)的换热器管(1)，其中，这两层(2、3)互相固定连接，以及，其中一层(2；3)有高耐腐的镀覆材料(4)，而另一层(3；2)有低耐腐的基本材料(5)。

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