CN1526844A - 一种超低碳铁素体不锈钢焊接钢管的换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明一种超低碳铁素体不锈钢焊接钢管的换热器，主要应用于石化装置中有应力腐蚀危害的环境。其主要技术特点是采用杂质含量很低的铁素体不锈钢有缝焊接钢管来制造换热器的换热管，以及用同样化学成分的铁素体不锈钢板材做管板的复合板。所述的换热管(2－2)和管板(2－1)复合层的化学成分为：C≤0.030％、Si≤0.60％、Mn≤0.60％、Cr10.0～19.0％、Mo≤3.0％、S≤0.015％、P≤0.030％、N≤0.030％、Ti或Nb4×C～0.8％、Al≤0.20％、Ni≤0.20％、Cu≤0.20％、余量为Fe。铁素体不锈钢的有缝钢管采用高频焊或自动氩弧焊焊接。管板与换热管的连接采用氩弧焊焊接，焊接用的焊丝为Cr含量大于等于18％的超低碳奥氏体不锈钢焊丝。由于铁素体不锈钢具有先天的耐氯离子和硫化氢的应力腐蚀能力，它可以克服一般奥氏体不锈钢所难以解决的应力腐蚀环境。

Description

一种超低碳铁素体不锈钢焊接钢管的换热器
技术领域
本发明主要涉及石油、化工、电力、医药等有均匀腐蚀和应力腐蚀环境的热交换领域。
背景技术
目前国内在一些石油化工装置比较严重的腐蚀环境中选用的材料一般较高，炼油装置中常顶冷凝器、空冷器部分企业选用双相不锈钢和钛管；海水冷凝器一般选用钛管、双相钢和海军铜。这些高档材料的价格都比较昂贵。专利ZL99116658.2“一种稀土合金钢的换热器”，是本人1999年申报的发明专利。它的技术特点是用稀土合金钢09Cr2AlMoRE的无缝钢管制造换热器的管束，用以抵抗硫化氢的应力腐蚀，价格相对较低。但它的缺陷在于：其一，虽然稀土合金钢09Cr2AlMoRE有很好的耐硫化氢腐蚀性能，但由于稀土合金钢的合金成分较低，在有氯离子等卤素离子的环境中不是理想的耐腐蚀材料；其二，09Cr2AlMoRE的表面与一般碳钢一样比较粗糙，介质中的杂质在长期换热过程中，受管壁温度影响将很容易使管壁表面结垢，不仅带来换热性能大大降低，流阻增大，而且也会造成严重的垢下腐蚀环境；其三，09Cr2AlMoRE钢为铁素体+珠光体组织，这种Cr-Mo合金会给设备制造中的焊接工作带来很大麻烦，不仅需要预热，而且还要有严格的热处理制度。
本技术方案的目的就是要开发一种耐腐蚀性能和焊接性能更好的铁素体不锈钢的换热器管束。
本技术方案研制的基础钢0Cr13为大家所熟知的铁素体不锈钢，其薄板的应用相当广泛。0Cr13良好的抗高温硫腐蚀的性能和抗应力腐蚀性能得到普遍认同。0Cr13的板材在使用中虽然具有非常优异的使用性能。但它的缺陷在于：
1、较高含量的Si和Mn会对铁素体不锈钢产生一定的脆性倾向，而0Cr13没有对Si和Mn没有进行进一步控制，导致该钢脆性倾向较大。因此，0Cr13钢在冷拔时的成材率很低，致使其市场价格还高于普通不锈钢如304和321等。
2、由于该钢对焊接性能要求不高，故钢中的C(≤0.08％)含量控制不严，而又没有加稳定化元素，因而容易在焊缝金属中形成碳化物Cr23C6，导致焊缝区的贫Cr。此外，较高含量的C也是导致材料脆性倾向的主要原因。
3、0Cr13钢材的标准为70年代制定，80年代和90年代均没有对其成分进行改进，特别是钢中的杂质成分S和P偏高(≤0.035％)，导致其钢中夹杂物较多，已不适应压力容器用钢的新要求。
发明内容
本技术方案中使用的铁素体不锈钢是针对上述问题而改进后开发的，改进后的化学成分为(％)：
                                  表1
C Si Mn  Cr Mo S P N  Ti或Nb Al Ni Cu Fe
≤0.030 ≤0.60 ≤0.60  10.0～19.0 ≤3.0 ≤0.015 ≤0.030 ≤0.030  4×C～0.80 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 余量
根据材料在腐蚀环境中耐点腐蚀的不同要求，可加入一定量的Mo，也可不加。
在新的技术方案中化学成分的合金化具有如下特点：
1、超低碳化：对C进行严格控制，使其达到超低C的实物水平(≤0.03％)，不仅使材料的塑性得以大大提高，而且也提高了材料的耐腐蚀能力，改善了材料的焊接性能；
2、加稳定化成分：在对C进行严格控制的同时加稳定化成分Ti，对C和N起稳定化作用，进一步改善材料的焊接性能，防止焊缝金属及热影响区出现的贫Cr现象；
3、控制硅和锰：对引起铁素体不锈钢材料脆性倾向的Si和Mn进行严格控制，越低越好，使其Si和Mn均不得大于0.60％；
4、降低夹杂物成分：原0Cr13中的S和P的杂质成分较高，对提高材料的抗腐蚀能力有较大的负面作用，因此在本技术方案中，将S和P的成分控制在很低的水平；
5、严格控制N含量：在铁素体不锈钢中，N的作用与C相似，在铁素体中的溶解量很低。若不进行严格控制，铁素体不锈钢的脆性温度将会显著上移，直接导致塑性降低，焊接性能下降。所以，N在铁素体不锈钢中的成分越低越好。
6、本技术方案中化学成分中的Al、Cu和Ni均不得大于0.20％，Al、Cu和Ni在该钢中的含量越低，其脆性倾向越小。
7、钢中加Mo以提高钢的耐点腐蚀性能。
实施例1(见表2)的化学成分(％)：
                                        表2
C Si Mn Cr S P N Ti或Nb Al Ni Cu Fe
≤0.030 ≤0.60 ≤0.60 10.0～14.0 ≤0.015 ≤0.030 ≤0.030 4×C～0.80 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 余量
实施例1中的化学成分可以耐一般的水腐蚀和硫化氢腐蚀，焊接性能可靠。由于腐蚀环境对材料没有耐点腐蚀的要求，所以，化学成分中没有加耐点腐蚀性能良好的Mo，Cr含量也确定在本技术方案的偏低范围。
实施例2(见表3)的化学成分(％)：
                                    表3
C Si Mn Cr Mo S P N Ti或Nb Al Ni Cu Fe
≤0.030 ≤0.60 ≤0.60 15.0～19.0 0.70～1.60 ≤0.015 ≤0.030 ≤0.030 4×C～0.80 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 余量
实施例2中的化学成分因为加入了一定量的钼(Mo)，其耐点腐蚀性能明显增加。
实施例2中的铁素体不锈钢可以耐以海水为冷却介质的低温腐蚀环境，以及有点腐蚀和应力腐倾向的腐蚀环境。
本技术方案与其它技术方案相比具有如下优点：
1、与低合金钢相比，本技术方案所用换热管的化学成分中铬含量较高，容易在表面形成非常致密的氧化膜，即具有不锈性。在氯离子处于随流体流动的情况下，表面的Cr2O3的氧化膜能够阻止腐蚀介质进入材料基体，且铬的自钝化能力较强，一旦破坏也能在短时间内修复。由于表面光洁度较高，不会象低合金钢一样容易结垢，其长期使用的换热效率明显优于低合金钢。焊接工艺简单，焊接时无须预热，焊后也不须热处理。
2、本技术方案中所用的焊接钢管与0Cr13相比，由于各种有害元素都控制的很低，材料的塑性和焊接性能得到大大提高。
3、本技术方案中所用的焊接钢管与奥氏体不锈钢相比，本技术方案具有先天的耐应力腐蚀性能，可以克服奥氏体不锈钢所难以克服的难题。
附图说明
现用图示说明如下：
图1：为换热器简图，件(1)为壳体，件(2-0)为管束的组合件。
图2：为管束(2-0)的结构图，件(2-1)为管板，件(2-2)为换热管，件(2-3)为折流板或折流杆。
图3：为纵向焊缝焊接钢管的示意图。
图4：为管板与换热管管头的连接示意图。
具体实施方式
在本技术方案的研制之前，本人发现铁素体不锈钢的无缝钢管拔制成本很高，脆性倾向很大。因此，本技术采取了第二方案，采用高频有缝焊接钢管或自动氩弧焊焊接钢管。即用本技术方案中所规定化学成分的钢带经卷制后进行纵向焊接，其焊缝性能良好，管外无明显焊接痕迹，仅在管内才能发现不太明显的纵向焊道。高频焊接钢管和自动氩弧焊焊接钢管是一种非常成熟的技术，国内外已有很多的钢号被允许用焊接钢管制造中低压的换热器管束。
在用高频焊焊接时，焊缝采用自熔，没有填充焊丝。当采用自动氩弧焊焊接时，应填充焊丝，所填焊丝应为超低碳的奥氏体不锈钢焊丝，且焊丝的铬(Cr)含量必须满足大于等于18％，可以选择的焊丝为H00Cr20Ni10、H00Cr24Ni13等。
在本技术方案中，换热器管束(2-0)的管板(2-1)为复合钢板，基层为普通压力容器用钢，复合层为本技术方案中与焊接钢管相同的铁素体不锈钢的薄板或0Cr13、0Cr17Ti的薄板；换热管(2-2)为换热器的主要耐腐蚀元件，为本发明化学成分的铁素体不锈钢焊接钢管；折流板和折流杆(2-3)为本发明中化学成分的铁素体不锈钢或0Cr13、0Cr17Ti的板材和圆钢。换热管与管板的管头(图4)连接方式为氩弧焊焊接，不管是用手工氩弧焊或自动氩弧焊焊接，焊接时均不得采取自熔的方式，应填充含铬量高的超低碳奥氏体不锈钢焊丝，且焊丝的铬(Cr)含量必须满足大于等于18％，焊丝牌号为H00Cr20Ni10、H00Cr24Ni13等。
高频焊或氩弧焊焊接钢管的规格为10mm×0.5mm至89mm×6.0mm，即该材料的板厚为δ：0.5～6.0mm，长度20米以内。
本发明是一种耐应力腐蚀和均匀腐蚀性能良好的换热器，其制造工艺简单，焊接方便，易于实施。可广泛应用于石油、化工、医药等用于热交换的腐蚀环境。

Claims (3)

1、一种超低碳铁素体不锈钢焊接钢管的换热器，它是由壳体(1)、管板(2-1)、换热管(2-2)、折流板(2-3)所构成，其特征在于：所述的换热管(2-2)和管板(2-1)的复合层为超低碳铁素体不锈钢，它的化学成分为：C≤0.030％、Si≤0.60％、Mn≤0.60％、Cr10.0～19.0％、Mo≤3.0％、S≤0.015％、P≤0.030％、N≤0.030％、Ti或Nb4×C～0.8％、Al≤0.20％、Ni≤0.20％、Cu≤0.20％、余量为Fe。
2、如权利要求书1所述的一种超低碳铁素体不锈钢焊接钢管的换热器，其特征在于：其所述的换热管(2-2)是用钢带卷制后，采用高频焊或自动氩弧焊纵向焊接的，当使用氩弧焊焊接时，所用的填充焊丝必须为铬(Cr)含量大于等于18％的奥氏体不锈钢焊丝。
3、如权利要求书1所述的一种超低碳铁素体不锈钢焊接钢管的换热器，其特征在于：其所述的管板(2-1)与换热管(2-2)连接用的氩弧焊焊丝为超低碳奥氏体不锈钢焊丝，且奥氏体不锈钢焊丝的铬(Cr)含量必须满足大于等于18％。
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