1. 取长补短
有时候由于防腐，防冲刷、抗氢腐蚀等种种原因，设备中与介质接触的金属材料需要高合金或者有色金属、特材，材料比较贵重。
如果全部材料都采用高合金、特材，设备的造价将要高上天际。
聪明的工程师，采用取长补短，各取所需的方式来设计。
压力高，设备厚，那么就用便宜的碳钢、CrMo钢来做基层，承受压力。
介质特性苛刻，那就与介质接触的材料采用一层薄薄的高合金、特材。
两种材料结合到一起，就能取长补短，既能获得高的承压能力，又与介质相容，非常具有经济性。
在本文中，将探讨在换热器中正确应用覆层，包括设计、制造、检验和使用中的注意事项。
2. 复合技术的优势
优势1：耐腐蚀性
覆层采用一层具有高耐腐蚀性的材料来直接解决腐蚀问题，降低了建造成本。
对比常规筒体的覆层耐腐蚀，在换热器管板中，更明显。管板，管箱盖一般是大锻件，在管板的管程侧堆焊或者采用一层复合层，是非常经济的。
优势2：耐侵蚀性
在某些工况下，局部腐蚀可能是一个严重问题。
比如在换热管入口区域，尤其在流动加速腐蚀 (FAC) 条件下尤为明显。
FAC是一种腐蚀机制，其中金属表面上通常具有保护作用的氧化层在快速流动的水中溶解。底层金属腐蚀并重新形成氧化物，因此金属持续损失。
FAC 的发生率取决于流速。FAC 通常会影响输送超纯、脱氧水或湿蒸汽的碳钢管道。不锈钢不会受到 FAC 的影响。当水中溶解少量氧气时，碳钢的 FAC 会停止。随着水的pH 值增加，FAC 的发生率会迅速降低。
在换热管入口处使用插入套圈（Ferrules），可以减轻这些关键位置的 FAC 和腐蚀威胁。
优势3：避免换热管和管板之间的异种钢焊接。
换热管与管板材料不同时，异种钢焊接可能是一个问题。
使用与换热管匹配的材料堆焊/衬管板可以避免异种钢焊接问题，包括焊接期间的热应力、电化学腐蚀和质量保证。
优势4. 避免在役换热管封堵时进行焊后热处理
需要进行焊后热处理的材料制成的管板，例如：Cr-Mo 钢。
当在运行过程中，性能下降或者换热管破损需要封堵换热管时，其堵管的塞焊缝应进行焊后热处理。
因为焊接的高热量输入到厚管板，孔桥易受高热应力的影响。通过在管板的管侧表面施加复合层，可以将塞子焊接到覆层上，并且可以选择与覆层材料相匹配的塞子材料，从而避免进行焊后热处理。
优势5. 抗氢扩散性
在临氢工况中，覆层可减少氢向基材的扩散。虽然它不能消除氢扩散，但它是一种有效的缓解技术。
用于防腐的不锈钢覆层或类似覆层材料中的氢扩散率较低，导致覆层/堆焊与基材界面（结合线）处的有效氢分压低于工艺给的值。
这会导致覆层下方基材所受的有效氢分压显著降低。
优势6. 抗氮化性能
氮化是指某些合金在暴露于含有高浓度氮化合物（如氨或氰化物）的高温工艺流（尤其在还原工况）时，表面会形成一层坚硬易碎的表层。
镍合金材料覆层可成功用于防止氮化。
例如，在氨合成回路中的废水冷却器壳侧上焊接覆层，有利于防止氮化和氢脆。
3. 复合材料的加工
复合板/复合锻件常见有四种：
a) 热轧复合
热轧复合板是在钢厂将钢和耐腐蚀合金一起加热并将它们作为一个整体轧制而成的。
在高温高压下轧制，使两种金属复合在一起。
一般轧制复合板的粘结剪切强度低。它是不锈钢复合钢板的主要生产方法。
热轧复合占全球复合板产量的 90% 以上。
b)爆炸复合
爆炸复合利用爆炸的极短持续时间、高能量脉冲将两个金属表面粘合在一起，同时清除表面氧化膜并形成金属粘合。
它抵抗氢腐蚀能力最强。
c)堆焊复层
堆焊复层是将耐腐蚀合金熔合沉积在钢或合金钢基材上。
通常，堆焊复层是在压力容器制造单位完成的。
为了解决合金含量问题，必要时使用“黄油道”和过渡层合金化来克服合金的稀释。
d) 衬层
对于工况不苛刻，压力温度较低的工况，也可以采用松衬的方式。
GB/T 151-2014，采用衬层需要注意如下事项。
双金属换热管
双金属管由两根不同材质的同心管组成，适用于壳体和管侧具有不同耐腐蚀性的要求。
尿素汽提塔中使用的双金属管就是一个例子，其外部为不锈钢管，内部为锆管，可抵抗高腐蚀性氨基甲酸酯。
另一个例子是尿素汽提塔管中使用的Omega粘结管，由内部锆管和外部钛管制成。
4. 换热器规范中的复合要求
在GB/T151-2014中，对于复合管板，强度胀覆层厚度大于等于10mm。
管板胀焊并用，覆层厚度大于等于3mm。
API660中规定，当管子仅进行胀管时，管板管侧的覆层（包括堆焊）厚度不得小于10mm，当管子焊接到管板上时，管板管侧面的覆层（包括堆焊）厚度不得小于5mm。
在TEMA中，对于R级和B级，当管子胀接时，管板管侧的公称覆层厚度不得小于7.8mm，当管子焊接到管板上时，管侧的公称覆层厚度不得小于 3.2mm。壳侧面的公称覆层厚度不得小于9.5mm。
在临氢工况中，应特别考虑所需的有效覆层厚度，这可以降低有效氢分压，从而消除氢侵蚀对母材金属的风险。
换热器设计时，耐腐蚀合金包覆层和焊接覆盖层一般不被视为承压材料。计算承压部件厚度时，仅应考虑母材。
5. 结论
管壳式热交换器中的复合应用具有多种优势，包括耐腐蚀和侵蚀、避免异种钢焊缝以及抗氢扩散和氮化。
复合应用技术多种多样，例如热轧复合、爆炸复合、堆焊覆层和衬层。在临氢工况的应用需要特别小心，双金属管可用于具有各种耐腐蚀要求的场合。
覆层厚度应提供所需足够的化学成分并防止腐蚀性介质进入管板的基层。
总体而言，复层应用是一种经济有效的解决方案，可提高各种管壳式热交换器的性能和使用寿命。
往期精彩：
欢迎关注公众号：VCAD001， 一个压力容器人的自我修养。
