RL10稀土铝合金——一种性能良好的换热器和空冷器新材料

束润涛

(武汉市润之达石化设备有限公司，湖北武汉430223)

目前工业应用的铝合金均经过不同形式的合金化和热处理，此举可以提高材料强度，却牺牲了铝合金材料的塑性。所以，现有铝合金材料普遍存在夹杂物含量较高，延伸率很低的特点，不适合在含有腐蚀介质的工况下作为换热管材料使用。

在工业纯铝的基础上添加提高材料强度的合金元素，添加改善材料性能的稀土，并严格控制影响材料塑性功能的有害合金成分，目的是在不降低材料耐腐蚀性能的前提下，提高铝合金的强度等级和塑性功能，使新研发的稀土铝合金材料满足石化及深冷行业的安全使用要求。

1 强度比较及性能测试

RL10与纯铝及3003铝合金的强度比较见表1。

表1 铝及铝合金强度比较Table 1 Strength comparison between aluminum and aluminum alloy

从表1可以看出，RL10的强度大大高于工业纯铝和3003铝合金材料。延伸率的大幅提高，有利于换热管材料的胀接和U型管换热器的制造。

RL10不同温度的机械性能试验见表2。

表2 不同温度的机械性能Table 2 Mechanical property under different temperatures

由表2可以发现，通过不同温度的机械性能试验，该材料在－80℃的情况下，机械性能指标与常温基本没有区别，而高温100℃时的机械性能与常温也几乎没有差别，只是当试验温度达到200℃以上时，强度的下降幅度才比较明显，而塑性指标却又大幅提升。

RL10的常温及超低温冲击试验见表3。

表3 RL10常温及超低温冲击试验Table 3 RL10 impact tests under normal temperature and ultralow temperature

从冲击功试验的结果来看，超低温状态对材料的韧性几乎没有任何有害影响，冲击功指标还略有上升，说明该材料在深冷环境中仍然会有良好的使用性能。

RL10的单管极限水压爆破试验见表4。

表4 单管水压极限爆破试验Table 4 Blasting tests of Hydraulic pressure ultimate for single pipe

工业纯铝管的极限爆破试验压力为14 MPa，而RL10将压力提高到44 MPa以后仍然完好。由于试验所用的压力试验设备只能将压力打到44 MPa，所以现有的试验设备还无法测试RL10铝管的极限爆破压力。

针对在空冷器上使用RL10全铝合金材料的思路，模拟了空冷器丝堵的试样(见图1)，试样的螺纹长度和直径都与空冷器丝堵的螺纹尺寸一致，对螺纹锁紧后的丝扣进行了拉脱力试验，其断裂部位出现在丝帽棒的台阶过渡处，而丝扣没有任何影响(见图2)。也就是说，RL10铝合金螺纹锁紧丝扣的拉脱强度大于母材的抗拉强度，完全可以用做空冷器的丝堵及丝堵板。

图1 空冷器丝堵的模拟试样Fig．1 Simulated specimen for plug of air cooler

图2 丝堵拉断后的图片Fig．2 Fractured plug

经过几年的摸索，与管板自动焊接设备厂家合作，已经解决了RL10管子与管板的焊接技术难题，管板也已经研发成功。目前，换热器管束的管板以及空冷器的管板、管箱、接管、法兰、丝堵板和丝堵都可以提供与换热管同材质的RL10稀土铝合金，管板可以采用手工和自动氩弧焊焊接，管箱可以采用熔化极气保焊焊接。丝堵可以通过不同的热处理工艺来达到与丝堵板的强度差异，以保证丝扣在使用以后不被咬死。

2 微观分析

为了解稀土(RE)对材料变质改性的实际作用对样品进行微观分析，通过图片可以直观看到对夹杂物改性作用的影响。

2.1 金相照片中夹杂物的直观形态比较

1号样品为没有添加稀土的铝合金牌号5083(见图3)，2号样品为添加了稀土的铝合金RL10(见图4)。

在1号样品的金相照片中，尺寸为3μm以上的夹杂物数量大于15个，而2号样品在对成分进行了优化设计的稀土铝合金中完全没有3μm以上的夹杂物，而且夹杂物均呈弥散状分布，这样细小并均匀分布的夹杂物对材料的有害作用将变得非常微小。

2.2 单个夹杂物的能谱分析

根据金相照片中出现的夹杂物，针对尺寸较大的白色夹杂物分别进行进一步能谱分析，以确定夹杂物的形成机理。其中，未添加稀土铝合金的能谱分析见图5，RL10稀土铝合金的能谱分析见图6。

图3 1号没有添加稀土的金相照片Fig．3 Metallograph without rare earth(1#)

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

图5 1号电镜扫描及能谱分析Fig．5 SEM and energy spectrum analysis(1#)

图6 2号电镜扫描及能谱分析Fig．6 SEM and energy spectrum analysis(2#)

将图5和图6中能谱分析的结果列表进行比较分析，发现夹杂物的组成有很大区别(见表5)。

表5 两种材料单个夹杂物的能谱分析结果Table 5 Energy spectrum analysis results of single impurity for two kinds of material w，%

表5是对图3和图4相图中其中一个白色点状夹杂物进行具体分析的数据。1号的白色夹杂物以Fe-Mn-Si-Cr为主;2号的白色夹杂物以Mg-Ce-Ti-V为主。由于2号样品对合金元素进行了优化控制，经过对许多细小白点的夹杂物进行能谱分析，都没有发现如1号样品大块夹杂物中Fe，Mn，Si和 Cr等形成元素。

通过添加稀土等改性元素，使夹杂物的形态得到弥散和细化，这样可以大大提高铝合金材料的抗点腐蚀能力和抗应力腐蚀能力，使RL10稀土铝合金能够在有硫化氢和氯离子的应力腐蚀环境中得到安全使用。

3 适用环境、试用案例及性价比优势

3.1 适用环境

RL10稀土铝合金通过成分的优化设计，使铝合金的杂质成分降到了最低，强度指标达到中等，延展性能达到最优。该材料不仅满足石化炼油装置低温油气的硫化氢和循环水腐蚀环境，而且还可以适用于核电站和火电站凝汽器的水腐蚀环境，同样也可以用于深冷行业的换热器等产品。

3.2 试用案例

RL10的冷却器管束于2010年10月首次用于镇江金海宏业石化公司的减压塔顶后冷器，目前使用情况良好。该公司减顶后冷器的使用工况为管内油气中存在硫化氢腐蚀，管外循环水存在氯离子腐蚀，在使用RL10稀土铝合金之前，用10号钢换热管材质的使用周期仅半年左右。

目前，新疆天利实业及山东孤岛油田也已经开始使用RL10稀土铝合金管束，其腐蚀环境均为油气中的硫化氢及另一侧循环水的氯离子腐蚀，其中孤岛油田的316L管束的使用周期均低于3个月。

3.3 性价比

(1)在低温和超低温环境中应用的优势:在有硫化氢或氯离子腐蚀的环境，能够解决316L不锈钢所难以克服的应力腐蚀问题。在深冷行业，可以替代价格更为昂贵的铜及铜镍合金，其制造设备的总价格低于316L不锈钢和铜镍合金材料;

(2)设备轻量化的优势:由于铝合金的密度低，可以大大减轻设备的质量，对装置的整体支撑能够起到降低载荷的轻量化设计，可以进一步节约成本;

(3)热导率高的优势:铝合金的热导率仅次于铜及铜合金材料，其热导率大约是碳钢材料的6倍、不锈钢材料的12～14倍;

(4)由于铝合金表面光滑，水中的微生物和颗粒物难以在换热管表面附着并结垢，降低了水中氯离子对管材的点腐蚀和应力腐蚀危害，特别适合于在表面蒸发式空冷器的喷淋段使用，是镀锌管和不锈钢材料的最佳替代方案。

4 结语

(1)对成分进行优化设计后的RL10稀土铝合金换热管材料的夹杂物得到了有效控制，从而使该材料的强度和塑性与工业纯铝相比得到大幅提高，可以在大多数低温和超低温环境中使用，是316L不锈钢和铜镍合金理想的替代性材料，性价比优势明显;

(2)RL10稀土铝合金在金海宏业的使用案例证明，该材料的换热器管束在减压塔顶后冷器的使用是成功的，满足在硫化氢和氯离子环境中的安全使用要求。