RL10稀土鋁合金——一種性能良好的換熱器和空冷器新材料

束潤濤

(武漢市潤之達石化設備有限公司，湖北武漢430223)

目前工業應用的鋁合金均經過不同形式的合金化和熱處理，此舉可以提高材料強度，卻犧牲了鋁合金材料的塑性。所以，現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，不適合在含有腐蝕介質的工況下作為換熱管材料使用。

在工業純鋁的基礎上添加提高材料強度的合金元素，添加改善材料性能的稀土，并嚴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，提高鋁合金的強度等級和塑性功能，使新研發的稀土鋁合金材料滿足石化及深冷行業的安全使用要求。

1 強度比較及性能測試

RL10與純鋁及3003鋁合金的強度比較見表1。

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

從表1可以看出，RL10的強度大大高于工業純鋁和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不同溫度的機械性能試驗見表2。

表2 不同溫度的機械性能Table 2 Mechanical property under different temperatures

由表2可以發現，通過不同溫度的機械性能試驗，該材料在－80℃的情況下，機械性能指標與常溫基本沒有區別，而高溫100℃時的機械性能與常溫也幾乎沒有差別，只是當試驗溫度達到200℃以上時，強度的下降幅度才比較明顯，而塑性指標卻又大幅提升。

RL10的常溫及超低溫沖擊試驗見表3。

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

從沖擊功試驗的結果來看，超低溫狀態對材料的韌性幾乎沒有任何有害影響，沖擊功指標還略有上升，說明該材料在深冷環境中仍然會有良好的使用性能。

RL10的單管極限水壓爆破試驗見表4。

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

工業純鋁管的極限爆破試驗壓力為14 MPa，而RL10將壓力提高到44 MPa以后仍然完好。由于試驗所用的壓力試驗設備只能將壓力打到44 MPa，所以現有的試驗設備還無法測試RL10鋁管的極限爆破壓力。

針對在空冷器上使用RL10全鋁合金材料的思路，模擬了空冷器絲堵的試樣(見圖1)，試樣的螺紋長度和直徑都與空冷器絲堵的螺紋尺寸一致，對螺紋鎖緊后的絲扣進行了拉脫力試驗，其斷裂部位出現在絲帽棒的臺階過渡處，而絲扣沒有任何影響(見圖2)。也就是說，RL10鋁合金螺紋鎖緊絲扣的拉脫強度大于母材的抗拉強度，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Fig．2 Fractured plug

經過幾年的摸索，與管板自動焊接設備廠家合作，已經解決了RL10管子與管板的焊接技術難題，管板也已經研發成功。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的RL10稀土鋁合金，管板可以采用手工和自動氬弧焊焊接，管箱可以采用熔化極氣保焊焊接。絲堵可以通過不同的熱處理工藝來達到與絲堵板的強度差異，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)對材料變質改性的實際作用對樣品進行微觀分析，通過圖片可以直觀看到對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比較

1號樣品為沒有添加稀土的鋁合金牌號5083(見圖3)，2號樣品為添加了稀土的鋁合金RL10(見圖4)。

在1號樣品的金相照片中，尺寸為3μm以上的夾雜物數量大于15個，而2號樣品在對成分進行了優化設計的稀土鋁合金中完全沒有3μm以上的夾雜物，而且夾雜物均呈彌散狀分布，這樣細小并均勻分布的夾雜物對材料的有害作用將變得非常微小。

2.2 單個夾雜物的能譜分析

根據金相照片中出現的夾雜物，針對尺寸較大的白色夾雜物分別進行進一步能譜分析，以確定夾雜物的形成機理。其中，未添加稀土鋁合金的能譜分析見圖5，RL10稀土鋁合金的能譜分析見圖6。

圖3 1號沒有添加稀土的金相照片Fig．3 Metallograph without rare earth(1#)

圖4 2號添加了稀土的金相照片Fig．4 Metallograph with rare earth(2#)

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

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

將圖5和圖6中能譜分析的結果列表進行比較分析，發現夾雜物的組成有很大區別(見表5)。

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

表5是對圖3和圖4相圖中其中一個白色點狀夾雜物進行具體分析的數據。1號的白色夾雜物以Fe-Mn-Si-Cr為主;2號的白色夾雜物以Mg-Ce-Ti-V為主。由于2號樣品對合金元素進行了優化控制，經過對許多細小白點的夾雜物進行能譜分析，都沒有發現如1號樣品大塊夾雜物中Fe，Mn，Si和 Cr等形成元素。

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

3 適用環境、試用案例及性價比優勢

3.1 適用環境

RL10稀土鋁合金通過成分的優化設計，使鋁合金的雜質成分降到了最低，強度指標達到中等，延展性能達到最優。該材料不僅滿足石化煉油裝置低溫油氣的硫化氫和循環水腐蝕環境，而且還可以適用于核電站和火電站凝汽器的水腐蝕環境，同樣也可以用于深冷行業的換熱器等產品。

3.2 試用案例

RL10的冷卻器管束于2010年10月首次用于鎮江金海宏業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油氣中存在硫化氫腐蝕，管外循環水存在氯離子腐蝕，在使用RL10稀土鋁合金之前，用10號鋼換熱管材質的使用周期僅半年左右。

目前，新疆天利實業及山東孤島油田也已經開始使用RL10稀土鋁合金管束，其腐蝕環境均為油氣中的硫化氫及另一側循環水的氯離子腐蝕，其中孤島油田的316L管束的使用周期均低于3個月。

3.3 性價比

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

(2)設備輕量化的優勢:由于鋁合金的密度低，可以大大減輕設備的質量，對裝置的整體支撐能夠起到降低載荷的輕量化設計，可以進一步節約成本;

(3)熱導率高的優勢:鋁合金的熱導率僅次于銅及銅合金材料，其熱導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垢，降低了水中氯離子對管材的點腐蝕和應力腐蝕危害，特別適合于在表面蒸發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 結語

(1)對成分進行優化設計后的RL10稀土鋁合金換熱管材料的夾雜物得到了有效控制，從而使該材料的強度和塑性與工業純鋁相比得到大幅提高，可以在大多數低溫和超低溫環境中使用，是316L不銹鋼和銅鎳合金理想的替代性材料，性價比優勢明顯;

(2)RL10稀土鋁合金在金海宏業的使用案例證明，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境中的安全使用要求。