束潤(rùn)濤

(武漢市潤(rùn)之達(dá)石化設(shè)備有限公司，湖北武漢430223)

目前工業(yè)應(yīng)用的鋁合金均經(jīng)過(guò)不同形式的合金化和熱處理，此舉可以提高材料強(qiáng)度，卻犧牲了鋁合金材料的塑性。所以，現(xiàn)有鋁合金材料普遍存在夾雜物含量較高，延伸率很低的特點(diǎn)，不適合在含有腐蝕介質(zhì)的工況下作為換熱管材料使用。

在工業(yè)純鋁的基礎(chǔ)上添加提高材料強(qiáng)度的合金元素，添加改善材料性能的稀土，并嚴(yán)格控制影響材料塑性功能的有害合金成分，目的是在不降低材料耐腐蝕性能的前提下，提高鋁合金的強(qiáng)度等級(jí)和塑性功能，使新研發(fā)的稀土鋁合金材料滿足石化及深冷行業(yè)的安全使用要求。

1 強(qiáng)度比較及性能測(cè)試

RL10與純鋁及3003鋁合金的強(qiáng)度比較見(jiàn)表1。

表1 鋁及鋁合金強(qiáng)度比較Table 1 Strength comparison between aluminum and aluminum alloy

從表1可以看出，RL10的強(qiáng)度大大高于工業(yè)純鋁和3003鋁合金材料。延伸率的大幅提高，有利于換熱管材料的脹接和U型管換熱器的制造。

RL10不同溫度的機(jī)械性能試驗(yàn)見(jiàn)表2。

表2 不同溫度的機(jī)械性能Table 2 Mechanical property under different temperatures

由表2可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)不同溫度的機(jī)械性能試驗(yàn)，該材料在－80℃的情況下，機(jī)械性能指標(biāo)與常溫基本沒(méi)有區(qū)別，而高溫100℃時(shí)的機(jī)械性能與常溫也幾乎沒(méi)有差別，只是當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到200℃以上時(shí)，強(qiáng)度的下降幅度才比較明顯，而塑性指標(biāo)卻又大幅提升。

RL10的常溫及超低溫沖擊試驗(yàn)見(jiàn)表3。

表3 RL10常溫及超低溫沖擊試驗(yàn)Table 3 RL10 impact tests under normal temperature and ultralow temperature

從沖擊功試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，超低溫狀態(tài)對(duì)材料的韌性幾乎沒(méi)有任何有害影響，沖擊功指標(biāo)還略有上升，說(shuō)明該材料在深冷環(huán)境中仍然會(huì)有良好的使用性能。

RL10的單管極限水壓爆破試驗(yàn)見(jiàn)表4。

表4 單管水壓極限爆破試驗(yàn)Table 4 Blasting tests of Hydraulic pressure ultimate for single pipe

工業(yè)純鋁管的極限爆破試驗(yàn)壓力為14 MPa，而RL10將壓力提高到44 MPa以后仍然完好。由于試驗(yàn)所用的壓力試驗(yàn)設(shè)備只能將壓力打到44 MPa，所以現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備還無(wú)法測(cè)試RL10鋁管的極限爆破壓力。

針對(duì)在空冷器上使用RL10全鋁合金材料的思路，模擬了空冷器絲堵的試樣(見(jiàn)圖1)，試樣的螺紋長(zhǎng)度和直徑都與空冷器絲堵的螺紋尺寸一致，對(duì)螺紋鎖緊后的絲扣進(jìn)行了拉脫力試驗(yàn)，其斷裂部位出現(xiàn)在絲帽棒的臺(tái)階過(guò)渡處，而絲扣沒(méi)有任何影響(見(jiàn)圖2)。也就是說(shuō)，RL10鋁合金螺紋鎖緊絲扣的拉脫強(qiáng)度大于母材的抗拉強(qiáng)度，完全可以用做空冷器的絲堵及絲堵板。

圖1 空冷器絲堵的模擬試樣Fig．1 Simulated specimen for plug of air cooler

圖2 絲堵拉斷后的圖片F(xiàn)ig．2 Fractured plug

經(jīng)過(guò)幾年的摸索，與管板自動(dòng)焊接設(shè)備廠家合作，已經(jīng)解決了RL10管子與管板的焊接技術(shù)難題，管板也已經(jīng)研發(fā)成功。目前，換熱器管束的管板以及空冷器的管板、管箱、接管、法蘭、絲堵板和絲堵都可以提供與換熱管同材質(zhì)的RL10稀土鋁合金，管板可以采用手工和自動(dòng)氬弧焊焊接，管箱可以采用熔化極氣保焊焊接。絲堵可以通過(guò)不同的熱處理工藝來(lái)達(dá)到與絲堵板的強(qiáng)度差異，以保證絲扣在使用以后不被咬死。

2 微觀分析

為了解稀土(RE)對(duì)材料變質(zhì)改性的實(shí)際作用對(duì)樣品進(jìn)行微觀分析，通過(guò)圖片可以直觀看到對(duì)夾雜物改性作用的影響。

2.1 金相照片中夾雜物的直觀形態(tài)比較

1號(hào)樣品為沒(méi)有添加稀土的鋁合金牌號(hào)5083(見(jiàn)圖3)，2號(hào)樣品為添加了稀土的鋁合金RL10(見(jiàn)圖4)。

在1號(hào)樣品的金相照片中，尺寸為3μm以上的夾雜物數(shù)量大于15個(gè)，而2號(hào)樣品在對(duì)成分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)的稀土鋁合金中完全沒(méi)有3μm以上的夾雜物，而且?jiàn)A雜物均呈彌散狀分布，這樣細(xì)小并均勻分布的夾雜物對(duì)材料的有害作用將變得非常微小。

2.2 單個(gè)夾雜物的能譜分析

根據(jù)金相照片中出現(xiàn)的夾雜物，針對(duì)尺寸較大的白色夾雜物分別進(jìn)行進(jìn)一步能譜分析，以確定夾雜物的形成機(jī)理。其中，未添加稀土鋁合金的能譜分析見(jiàn)圖5，RL10稀土鋁合金的能譜分析見(jiàn)圖6。

圖3 1號(hào)沒(méi)有添加稀土的金相照片F(xiàn)ig．3 Metallograph without rare earth(1#)

圖4 2號(hào)添加了稀土的金相照片F(xiàn)ig．4 Metallograph with rare earth(2#)

圖5 1號(hào)電鏡掃描及能譜分析Fig．5 SEM and energy spectrum analysis(1#)

圖6 2號(hào)電鏡掃描及能譜分析Fig．6 SEM and energy spectrum analysis(2#)

將圖5和圖6中能譜分析的結(jié)果列表進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)夾雜物的組成有很大區(qū)別(見(jiàn)表5)。

表5 兩種材料單個(gè)夾雜物的能譜分析結(jié)果Table 5 Energy spectrum analysis results of single impurity for two kinds of material w，%

表5是對(duì)圖3和圖4相圖中其中一個(gè)白色點(diǎn)狀?yuàn)A雜物進(jìn)行具體分析的數(shù)據(jù)。1號(hào)的白色夾雜物以Fe-Mn-Si-Cr為主;2號(hào)的白色夾雜物以Mg-Ce-Ti-V為主。由于2號(hào)樣品對(duì)合金元素進(jìn)行了優(yōu)化控制，經(jīng)過(guò)對(duì)許多細(xì)小白點(diǎn)的夾雜物進(jìn)行能譜分析，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)如1號(hào)樣品大塊夾雜物中Fe，Mn，Si和 Cr等形成元素。

通過(guò)添加稀土等改性元素，使夾雜物的形態(tài)得到彌散和細(xì)化，這樣可以大大提高鋁合金材料的抗點(diǎn)腐蝕能力和抗應(yīng)力腐蝕能力，使RL10稀土鋁合金能夠在有硫化氫和氯離子的應(yīng)力腐蝕環(huán)境中得到安全使用。

3 適用環(huán)境、試用案例及性價(jià)比優(yōu)勢(shì)

3.1 適用環(huán)境

RL10稀土鋁合金通過(guò)成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使鋁合金的雜質(zhì)成分降到了最低，強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到中等，延展性能達(dá)到最優(yōu)。該材料不僅滿足石化煉油裝置低溫油氣的硫化氫和循環(huán)水腐蝕環(huán)境，而且還可以適用于核電站和火電站凝汽器的水腐蝕環(huán)境，同樣也可以用于深冷行業(yè)的換熱器等產(chǎn)品。

3.2 試用案例

RL10的冷卻器管束于2010年10月首次用于鎮(zhèn)江金海宏業(yè)石化公司的減壓塔頂后冷器，目前使用情況良好。該公司減頂后冷器的使用工況為管內(nèi)油氣中存在硫化氫腐蝕，管外循環(huán)水存在氯離子腐蝕，在使用RL10稀土鋁合金之前，用10號(hào)鋼換熱管材質(zhì)的使用周期僅半年左右。

目前，新疆天利實(shí)業(yè)及山東孤島油田也已經(jīng)開(kāi)始使用RL10稀土鋁合金管束，其腐蝕環(huán)境均為油氣中的硫化氫及另一側(cè)循環(huán)水的氯離子腐蝕，其中孤島油田的316L管束的使用周期均低于3個(gè)月。

3.3 性價(jià)比

(1)在低溫和超低溫環(huán)境中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì):在有硫化氫或氯離子腐蝕的環(huán)境，能夠解決316L不銹鋼所難以克服的應(yīng)力腐蝕問(wèn)題。在深冷行業(yè)，可以替代價(jià)格更為昂貴的銅及銅鎳合金，其制造設(shè)備的總價(jià)格低于316L不銹鋼和銅鎳合金材料;

(2)設(shè)備輕量化的優(yōu)勢(shì):由于鋁合金的密度低，可以大大減輕設(shè)備的質(zhì)量，對(duì)裝置的整體支撐能夠起到降低載荷的輕量化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步節(jié)約成本;

(3)熱導(dǎo)率高的優(yōu)勢(shì):鋁合金的熱導(dǎo)率僅次于銅及銅合金材料，其熱導(dǎo)率大約是碳鋼材料的6倍、不銹鋼材料的12～14倍;

(4)由于鋁合金表面光滑，水中的微生物和顆粒物難以在換熱管表面附著并結(jié)垢，降低了水中氯離子對(duì)管材的點(diǎn)腐蝕和應(yīng)力腐蝕危害，特別適合于在表面蒸發(fā)式空冷器的噴淋段使用，是鍍鋅管和不銹鋼材料的最佳替代方案。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后的RL10稀土鋁合金換熱管材料的夾雜物得到了有效控制，從而使該材料的強(qiáng)度和塑性與工業(yè)純鋁相比得到大幅提高，可以在大多數(shù)低溫和超低溫環(huán)境中使用，是316L不銹鋼和銅鎳合金理想的替代性材料，性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯;

(2)RL10稀土鋁合金在金海宏業(yè)的使用案例證明，該材料的換熱器管束在減壓塔頂后冷器的使用是成功的，滿足在硫化氫和氯離子環(huán)境中的安全使用要求。