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热浸镀铝换热器的制造工艺
2007-2-5

国家发明专利项目
热浸镀铝换热器的制造工艺介绍
(专利号：ZL2004100204185)
    本发明是在国家级科技成果《钢型材热浸镀铝工业化生产》成熟工艺基础上取得的，涉及换热器技术领域，可应用于炼油系统的管壳式热浸镀铝换热器的一种制造工艺。
    一、热浸镀铝换热器的耐蚀性
    换热器广泛应用于石油、冶炼、化工、动力、供热、食品、医药、冶金和制冷等行业。是用于流体加热和冷却的设备。通常在高温、高压、和强腐蚀介质的工况环境中运行，腐蚀现象十分严重。尤其是应用于炼油系统的换热器。由于原油中存在H2s、s、硫醇硫醚、二硫化物、噻吩硫等活性和非活性硫，使硫的腐蚀贯穿炼油的所有加工装置；原油中还存NaCl、MgCl2、CaCl2等无机氯盐，在高温、催化剂作用下，氯化物进行分解，产生Cl¯腐蚀；原油中还存在环烷酸、氮化物、碳化物和H2O等腐蚀介质，在炼制过程中因工艺上的要求还加入NH3、H2等介质，沿海炼油厂往往以海水做冷却剂，海水腐蚀也是Cl¯腐蚀。上述介质在高温、高压、高流速情况下，都会对设备产生极强的腐蚀破坏。而尤以H2S、Cl¯、H2、CO2最为严重。在温度较高时，溶液中一定的压力和Cl¯的存在不但会使碳钢和低合金钢易产生应力腐蚀开裂；高强度钢和奥式体不锈钢在含硫介质也会破坏薄膜，使Cl¯、H2锲入，发生硫化物应力腐蚀开裂或氢脆。
1、耐低温H2S－H2O均匀腐蚀的性能
换热器经热浸镀铝后，在其表面生成Al2O3、Al、Al－Fe合金三层保护膜，最外层Al2O3是Al钝化后氧化物，其腐蚀电位比铝平衡电位升高1伏，为0.5－0.7伏。因此，在大部分中性和许多弱酸性溶液中都有足够的稳定性。试验和实践证明，在含有H2S、CO2、氰离子、NH3等的水溶液中钝化的铝是耐蚀的。溶液中如果Cl－的浓度不超过40ppm，钝化的铝也不会产生点蚀。在炼油低温腐蚀环境中，经“一脱四注”的工艺处理，溶液主要成分是：Cl－、CN－、H2S、CO2、NH3等，这些介质均不能对钝化的铝产生腐蚀。所以说，热浸镀铝后的换热器具有很好的耐低温H2S－H2O均匀腐蚀的性能。
2、防止H2S应力腐蚀开裂的性能
碳钢、低合金钢换热器在温度较高，有一定压力和Cl－存在的溶液中易产生应力腐蚀开裂，高强度钢和奥氏体不锈钢在H2S介质中易发生硫化物应力腐蚀开裂。这两种开裂的主要原因不外乎是破坏薄膜，Cl－、H2锲入；阳极金属溶解等。换热器热浸镀铝后所以有防止应力腐蚀开裂的性能，主要原因：一是Al2O3的稳定性使Cl－、H2S不能与铁反应，故不会产生H2，断绝了锲入钢铁表面的H2来源；二是纯铝一般无应力腐蚀倾向，Cl－、H2S都不会使之产生裂纹；三是铝具有很好的阴极保护效应，阳极区金属不会溶解；四是几乎不存在能造成铝、铁同时开裂的介质，且热浸镀铝后，残余应力大部分被消除。这些原因使热浸镀铝换热器具有良好的防止应力腐蚀开裂性能。
3、耐高温重油H2S腐蚀性能
高温H2S对一般碳钢、低合金钢换热器的腐蚀形态，包含均匀腐蚀、蚀坑和蚀槽、氢脆和氢腐蚀。均匀腐蚀和蚀坑、蚀槽的产生原因是材料对介质的不稳定。氢脆、氢腐蚀是由于在炼油过程中加入氢，在H2S的环境中，使氢侵入钢铁基体，在残余应力的作用下，导致基体开裂，这就是所谓的氢脆。氢腐蚀是钢铁的脱碳过程，脱碳后在钢铁内部产生气体CH4，CH4气集聚在微小缺陷区，引起内压升高，致使产生裂纹。这两种反应出现的原因主要是H2S、H2直接与铁进行反应而造成的。在240－5000C，一般碳钢在此范围内将高温氧化，高温氧化和腐蚀的双重作用，使一般碳钢换热器很快被损坏。
热浸镀铝换热器对高温H2S有很高的耐蚀性。由以前阐述的原因知道，碳钢换热器镀铝后，镀层表面有很好的耐H2S、H2的特性。使H2S、H2都不能直接与铁反应，所以也就不会出现氢脆、氢腐蚀破坏。还由于热浸镀铝换热器具有很好的耐高温氧化性能，在5000C长期使用不改变颜色。在5000C以上才开始出现氧化增重和变色现象，热浸镀铝换热器这种很好的耐高温氧化性能，使之在高温下也能有很好的耐H2S、H2的特性；另外，经热浸铝后，换热器残余应力基本已被消除，这也进一步的防止了换热器的高温氢裂和氢腐蚀。实践证明，换热器镀铝后在高温重油H2S工况环境中，其耐蚀性不但高于碳钢，而且高于镍铬钢。
4、抗RSH（硫醇）、RCOOH（环烷酸）腐蚀的性能
理论研究和试验证明，铝对高温RSH、RCOOH都无明显腐蚀产生，所以镀铝换热器耐有机酸的性能也是很高的。
因此，热浸镀铝换热器在炼油系统各部位都有良好的耐腐蚀性能，甚至超过某些不锈钢制品。由于热浸镀换热器是碳钢制作，虽经镀铝增加一定费用，镀铝钢的价格仅为低合金钢价格的一半，其使用的效果使其与普通碳钢换热器或低合金钢换热器有很高的性价比，可大大降低生产成本。
    二、现行制造工艺的难题和质量缺陷
    虽然热浸镀铝换热器被许多炼油企业看好，由于现行工艺上的难题引起的质量上的缺陷，限制了热浸镀铝换热器的生产和推广应用。
    现行制造工艺有两种，主要表现在对核心工作部分换热器管束的处理上。一种是将换热器管速主要部件换热管、隔板、管板等先镀铝，然后穿插组装成管束。换热管与管板的固定连接处用耐蚀不锈钢焊条焊接。这种制作工艺的优点是简单、易操作。缺点是将工件连接的不锈钢焊缝和工件镀铝面之间的界面产生一道熔线，熔线处易产生局部腐蚀。第二种工艺是先将碳钢的换热器部件组装制作成换热器管束，然后换热器管束整体热浸镀铝。用这种工艺制作的换热器管束优点是整体耐腐蚀效果好。缺点是工艺难度大，无论是在浸镀，还是在冷却过程中，密集的换热器管束内外受热和散热不均极易产生型变，不但成品率低而且产品质量差；且由于换热器管束的整体浸镀需要较大浸镀锅加热设备。为解决浸镀时急据降温造成铝液凝固问题，浸镀前需将换热管束放入熔盐锅中整体预热和进行助镀处理，无论熔盐和熔铝都需较大的设备，不但设备成本大，而且造成巨大的能耗。。特别达不到批量生产时，也必须对镀铝炉和熔盐炉连续加热，生产成本加大尤为明显。两种热浸镀铝换热器制作工艺存在的缺点，影响了热浸镀铝换热器的生产和推广应用。
    三、本专利浸镀工艺的优势：
    本发明的目的是提供一种管壳式系列热浸镀铝换热器两步骤局部浸镀工艺。这种浸镀工艺不需要对换热器管束进行整体预热和浸镀，也能达到将换热器整体全部镀上铝的目的。它工艺简单、易操作，不产生熔线和局部腐蚀，是一种既有以上两种工艺优点，又克服了两种工艺缺点的管壳式系列热浸镀铝换热器制造新工艺。由于本专利解决了以往制造工艺上的难题和质量缺陷。使热浸镀铝换热器的普遍应用成为现实。
    1、整体耐蚀性好。这种工艺生产的热镀铝换热器由于镀铝层履盖整个换热器，焊缝也镀上铝，不产生熔线，消除了局部腐蚀，达到了和一次整体浸镀同样的镀铝效果和耐腐蚀效果。
    2、浸镀成功率高。本工艺易操作，杜绝了整体浸镀和冷却过程中由于受热和散热温度不均产生的变形，大大提高了浸镀成功率，使热浸镀铝换热器产品质量产生提高一个飞跃。
    3、浸镀成本可成倍降低。由于采用局部浸镀，不需要必须容纳整个换热器管束的大型熔盐锅和镀铝锅；显著地降低了生产热浸镀铝换热器的能耗、物耗。可成倍地降低成本。
    四、经济效益分析
    社会（用户）效益：热浸镀铝换热器具有极佳的耐腐蚀性，较未镀铝换热器耐蚀性提高数倍至数十倍，耐硫化物、氯离子腐蚀和耐氢脆超过不锈钢制品，价格却不到不锈钢的一半，应用于各领域替代不锈钢均可取得很好的经济效益。在炼油系统中，换热器占总投资的20%，占总设备的40%。据国外统计，换热设备的损坏率高达近30%。显然，热浸镀铝换热器的应用，不但会使设备投资费用减少一半，能耗大大降低，而且比不锈钢换热器更耐用，使用热浸镀铝换热器给用户带来的眼前和长远的经济利益都是显而易见的。
    生产厂家经济效益：实现本专利项目工业化生产的主要投资是建立一条浸镀换热器的热浸镀铝生产线。总投资不超过300万人民币（厂房在外、生产换热器机加设备视为已有）。该生产线不仅能生产热浸镀铝换热器，而且能浸镀各种型材（如高速公路护栏等）,也就是说，该生产厂家除获本专利技术，同时获得国家级科技成果热浸镀铝工业化生产技术。。该生产线可年产热浸镀铝钢一万吨。
    现炼油厂已接受的热浸镀铝换热器浸铝加价为每吨10000-12000元，浸镀每吨换热器利税值在8000元以上，加上制造换热器赢利，生产每吨热浸镀铝换热器利税值在10000元以上。仅以第一年浸镀加工换热器管束1000吨（约七、八十台）计，即可达利税1000万元。如果能达到10000吨的生产量（一个较大炼油厂的换热热器量约七、八百台），一条生产线年利税即可达亿元。热浸镀铝换热器产量主要由市场开发力度和换热器机加能力决定。热浸镀铝换热器由于是替代不锈钢换热，即使价格不到不锈钢二分之一，生产利润的空间也十分巨大。
    五、合作方式：
    本工艺由沈阳新银基热浸镀铝有限公司发明。合作的基础是：对方最好是大型炼油企业所属的炼油设备生产企业。具有生产换热器所需的资质和市场条件，并具有吊车高度不低于10米的面积不少于2000平米的浸铝厂房和1500平米机加厂房。厂址地点宜在市区以外，或者由本专利权人提供厂房。本专利划地区转让或合作。合作具体方式和事宜将视情而定。