CN118224611A - 一种双层结构锅炉水冷壁管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层结构锅炉水冷壁管及其制备方法，包括金属无缝内层和金属无缝外层；所述金属无缝内层和金属无缝外层采用真空焊接进行嵌套，采用感应加热通过高温元素互扩散进行金属无缝内层与金属无缝外层的冶金结合；所述金属无缝外层的材质为耐蚀合金，所述金属无缝内层的材质为碳钢。所述金属无缝内层的厚度范围为1.5mm～3mm，碳钢为20#碳钢或45#碳钢。所述金属无缝外层的厚度范围为1.0mm～1.5mm，耐蚀合金为奥氏体不锈钢或双相不锈钢。通过设置双层结构，金属无缝外层为耐蚀合金，金属无缝内层为碳钢，内层与外层采用冶金结合，相比于碳钢水冷壁管强度更高，耐腐蚀性能更强。

Description

一种双层结构锅炉水冷壁管及其制备方法

技术领域

本发明属于水冷壁管技术领域，具体属于一种双层结构锅炉水冷壁管及其制备方法。

背景技术

燃煤锅炉水冷壁管长期受高温烟气的热传递，同时还受到侵蚀与磨蚀作用。近年来，随着燃料煤中含硫量逐渐升高，导致锅炉水冷壁管发生高温硫腐蚀。煤粉混合火焰紧贴水冷壁管，壁面区域高还原性气氛加剧高温硫化物腐蚀，服役环境日益极端化。在高温、高腐蚀介质的耦合作用下，燃煤锅炉水冷壁管由于均匀腐蚀减薄和非均匀腐蚀导致的穿破，泄露事故频繁发生，造成安全事故，同时造成公司效益的损失。因此，锅炉水冷壁管的腐蚀控制是热力行业重点关注的方向。

燃煤锅炉水冷壁管环境服役条件较为复杂，长期处在高温环境中，材料的高温蠕变加速水冷壁管的变形失效。此外，环境中煤粉、硫等均会对管道造成均匀腐蚀及点蚀，加速水冷壁管的腐蚀泄露失效。目前，热力公司的燃煤锅炉水冷壁管材质多为20#碳钢，泄露、断裂失效频发，已无法满足需求。然而，使用耐蚀合金纯材，如316L不锈钢、2205双相不锈钢和镍基合金等，成本过高，无法实现大规模推广应用。

现有技术中采用耐蚀合金作为外层，碳钢作为内层制备的双金属复合管，兼具力学性能、耐蚀性能且成本低，得到了燃煤锅炉领域的广泛关注。双金属复合管根据界面结合方式可分为机械型复合管和冶金型复合管。但是机械型复合管由于界面结合强度较低，在高温作用下，两种金属由于高温蠕变，产生界面分层、坍塌等失效现象、且失效一旦发生，会严重降低水冷壁管热传递效率。冶金型双金属复合管目前多采用***复合板卷制工艺制备，但此种双金属复合管存在直焊缝周围性能不均一问题；对整管无热处理，难以消除制备过程中大塑性变形产生的内应力，加速管道在高温下的蠕变及点蚀失效。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种双层结构锅炉水冷壁管及其制备方法，用于解决机械型复合管界面结合强度问题和***复合板卷制冶金复合管直焊缝性能不均一的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双层结构锅炉水冷壁管，包括金属无缝内层和金属无缝外层；

所述金属无缝内层和金属无缝外层采用真空焊接进行嵌套，采用感应加热通过高温元素互扩散进行金属无缝内层与金属无缝外层的冶金结合；

所述金属无缝外层的材质为耐蚀合金，所述金属无缝内层的材质为碳钢。

优选的，所述金属无缝内层的厚度范围为1.5mm～3mm，碳钢为20#碳钢或45#碳钢。

优选的，所述金属无缝外层的厚度范围为1.0mm～1.5mm，耐蚀合金为奥氏体不锈钢或双相不锈钢。

一种双层结构锅炉水冷壁管的制备方法，包括以下步骤，

步骤1，将金属无缝内层和金属无缝外层采用真空焊接进行嵌套，随后进行外感应加热穿孔，获得双层结构锅炉水冷壁管的管坯，对双层结构锅炉水冷壁管的管坯进行冷却；

步骤2，将双层结构锅炉水冷壁管的管坯进行冷轧成型，使金属无缝内层和金属无缝外层达到预设厚度；

步骤3，将轧制处理后的双层结构锅炉水冷壁管进行整管热处理，使金属无缝外层达到预设机械性能；

步骤4，将热处理后的双层结构锅炉水冷壁管进行外壁高频感应加热热处理，同时对金属无缝内层进行喷淋水降温，使金属无缝外层达到预设耐腐蚀性能，完成双层结构锅炉水冷壁管的制备。

优选的，步骤1中，对双层结构锅炉水冷壁管的管坯进行空冷处理至室温。

优选的，步骤2中，将双层结构锅炉水冷壁管的管坯在室温下分别进行粗轧和精轧完成冷轧成型。

优选的，步骤3中，整管热处理工艺为对双层结构锅炉水冷壁管进行整管双重正火处理。

优选的，所述双重正火处理为将双层结构锅炉水冷壁管加热至910℃，保温20min后，空冷至室温；继续将双层结构锅炉水冷壁管加热至930℃，保温20min，空冷至室温。

优选的，步骤4中，对双层结构锅炉水冷壁管进行外壁高频感应加热固溶处理，固溶处理的厚度范围为1mm～1.5mm。

优选的，步骤4中，对金属无缝内层进行喷淋水降温时，监测金属无缝内层的内壁温度＜400℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的一种双层结构锅炉水冷壁管，通过设置双层结构，金属无缝外层为耐蚀合金，金属无缝内层为碳钢，内层与外层采用冶金结合，相比于碳钢水冷壁管强度更高，耐腐蚀性能更强。本发明基于感应加热技术，实现了碳钢机械性能与耐蚀合金防腐性能兼顾的整管热处理工艺。在保证水冷壁管强度的前提下，极大的提高了耐高温硫腐蚀的能力，能够保证水冷壁管的强度需求，同时可实现烟气高温硫腐蚀防腐完整性。

本发明的一种双层结构锅炉水冷壁管制备方法，通过采用真空焊接结合感应加热穿孔技术制备双层结构冶金无缝复合管管坯，保证界面结合力强。

本发明制备的双层结构冶金无缝锅炉水冷壁管，采用双重正火对水冷壁管整管进行热处理，随后采用外壁高频感应加热对水冷壁管外层耐蚀合金进行固溶处理，兼顾了水冷壁管内层碳钢机械性能与外层耐蚀合金防腐蚀性能，填补了目前双金属复合管耐蚀与强度兼顾的热处理工艺方案的空白。

附图说明

图1为本发明提供的一种双层结构冶金无缝锅炉水冷壁管的结构示意图。

图2为具体实施例中内层20#碳钢经双重正火热处理微观组织图。

图3为具体实施例中316L不锈钢/20#碳钢界面处微观组织图。

附图中：1为金属无缝内层；2为金属无缝外层。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明的一种双层结构冶金无缝复合管，包括金属无缝内层1和金属无缝外层2。

金属无缝内层1和金属无缝外层2采用真空焊接进行嵌套，采用感应加热通过高温元素互扩散进行金属无缝内层1与金属无缝外层2的冶金结合；

金属无缝外层2的材质为耐蚀合金，金属无缝内层1的材质为碳钢。

金属无缝内层1的厚度为1.5mm～3mm，碳钢为20#碳钢或45#碳钢；金属无缝外层2厚度为1.0mm～1.5mm，耐蚀合金为奥氏体不锈钢或双相不锈钢。

本发明的双层结构冶金无缝锅炉水冷壁管的管径和壁厚满足GB3087-2008《低中压锅炉用无缝钢管》标准要求的水冷壁管规格。

本发明一种双层结构冶金无缝复合管的制备方法，双层结构冶金无缝复合管的内层无缝金属为碳钢，外层无缝金属为耐蚀合金；包括以下步骤：

步骤1，将内层碳钢无缝管及外层耐蚀合金无缝管利用真空焊接技术嵌套，随后进行外感应加热穿孔，获得双层结构锅炉水冷壁管的管坯，随后进行空冷处理至室温；

步骤2，将步骤1获得的双层结构冶金无缝复合管的管坯进行冷轧成型，使金属无缝内层1和金属无缝外层2达到预设厚度；

步骤3，将步骤2轧制处理获得的双层结构冶金无缝复合管进行整管热处理，使金属无缝外层2达到预设机械性能；

步骤4，将步骤3热处理后的双层结构锅炉水冷壁管进行外壁高频感应加热热处理，固溶处理厚度为1.0mm～1.5mm，同时对金属无缝内层1进行喷淋水降温，使金属无缝外层2达到预设耐腐蚀性能，完成双层结构锅炉水冷壁管的制备。

本发明的步骤1中，内层无缝耐蚀合金管与外层无缝碳钢管通过机械嵌套、真空焊接技术对层状结构进行机械和冶金固定，随后进行外壁感应加热穿孔，通过高温元素互扩散技术保证界面冶金结合。

本发明的步骤2具体包括：将管坯在室温下分别进行粗轧和精轧，完成冷轧成型；

本发明的步骤3热处理工艺具体包括：对一种双层结构冶金无缝复合管进行整管双重正火处理。

本发明的步骤4热处理工艺具体包括，对一种双层结构锅炉水冷壁管外层金属进行外壁高频感应加热固溶处理，固溶处理厚度为1mm～1.5mm，同时对金属内层2进行喷淋水降温，使金属外层2达到预设耐腐蚀性能，完成双层结构冶金无缝复合管的制备。

实施例

本发明具体实施例的一种φ51mm×4mm的金属无缝内层为20#碳钢，金属无缝外层为316L的双层结构冶金无缝锅炉水冷壁管，具体步骤如下：

一、内层无缝金属及外层无缝金属利用真空焊接技术嵌套，随后进行外壁感应加热穿孔，感应加热温度为900℃～1200℃，获得双层结构冶金无缝锅炉水冷壁管的管坯，随后进行空冷处理至室温。

二、冷轧成型，将管坯进行两道粗轧和两道精轧，轧下量由双层结构采用金属的塑性变形能力、协同变形能力和硬度控制，水冷壁管定径为精轧过程，保证水冷壁管外径为φ51mm和总壁厚为4mm复合GB 3087-2008《低中压锅炉用无缝钢管》，同时满足外层316L奥氏体不锈钢厚度为1.50±0.20mm，内层20#碳钢厚度为2.50±0.20mm。

三、整管热处理：轧制成型的双层结构冶金无缝锅炉水冷壁管的热处理工艺为：双重正火工艺为：加热至910℃，保温20min，空冷至室温；继续加热至930℃，保温20min，空冷至室温。

四、外壁高频感应加热固溶处理：双层结构冶金无缝锅炉水冷壁管的外壁高频感应加热固溶处理的热处理工艺为：加热至1100℃，感应加热深度1mm～1.5mm，喷水固溶；同时对内层碳钢进行喷淋水降温，监测其内壁温度＜400℃。

请参阅图2，图2为双层结构冶金无缝锅炉水冷壁管中20#碳钢经过双重正火热处理后的微观组织，整体呈铁素体+珠光体组织。屈服强度435MPa，抗拉强度578MPa，断后伸长率33％。满足锅炉水冷壁管的强度需求。

请参阅图3，图3为双层结构冶金无缝锅炉水冷壁管的双金属结合处的界面微观组织，可见界面平直、光滑，无金属间化合物层、微裂纹或孔洞等缺陷存在。碳钢侧整体呈铁素体+珠光体组织，且界面处由于碳元素向不锈钢一侧扩散，存在脱碳层。316L一侧无碳化物析出。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的应用范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的应用范围之内。因此，本发明的应用范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双层结构锅炉水冷壁管，其特征在于，包括金属无缝内层(1)和金属无缝外层(2)；

所述金属无缝内层(1)和金属无缝外层(2)采用真空焊接进行嵌套，采用感应加热通过高温元素互扩散进行金属无缝内层(1)与金属无缝外层(2)的冶金结合；

所述金属无缝外层(2)的材质为耐蚀合金，所述金属无缝内层(1)的材质为碳钢。

2.根据权利要求1所述的一种双层结构锅炉水冷壁管，其特征在于，所述金属无缝内层(1)的厚度范围为1.5mm～3mm，碳钢为20#碳钢或45#碳钢。

3.根据权利要求1所述的一种双层结构锅炉水冷壁管，其特征在于，所述金属无缝外层(2)的厚度范围为1.0mm～1.5mm，耐蚀合金为奥氏体不锈钢或双相不锈钢。

4.一种双层结构锅炉水冷壁管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1，将金属无缝内层(1)和金属无缝外层(2)采用真空焊接进行嵌套，随后进行外感应加热穿孔，获得双层结构锅炉水冷壁管的管坯，对双层结构锅炉水冷壁管的管坯进行冷却；

步骤2，将双层结构锅炉水冷壁管的管坯进行冷轧成型，使金属无缝内层(1)和金属无缝外层(2)达到预设厚度；

步骤3，将轧制处理后的双层结构锅炉水冷壁管进行整管热处理，使金属无缝外层(2)达到预设机械性能；

步骤4，将热处理后的双层结构锅炉水冷壁管进行外壁高频感应加热热处理，同时对金属无缝内层(1)进行喷淋水降温，使金属无缝外层(2)达到预设耐腐蚀性能，完成双层结构锅炉水冷壁管的制备。

5.根据权利要求4所述的一种双层结构锅炉水冷壁管的制备方法，其特征在于，步骤1中，对双层结构锅炉水冷壁管的管坯进行空冷处理至室温。

6.根据权利要求4所述的一种双层结构锅炉水冷壁管的制备方法，其特征在于，步骤2中，将双层结构锅炉水冷壁管的管坯在室温下分别进行粗轧和精轧完成冷轧成型。

7.根据权利要求4所述的一种双层结构锅炉水冷壁管的制备方法，其特征在于，步骤3中，整管热处理工艺为对双层结构锅炉水冷壁管进行整管双重正火处理。

8.根据权利要求7所述的一种双层结构锅炉水冷壁管的制备方法，其特征在于，所述双重正火处理为将双层结构锅炉水冷壁管加热至910℃，保温20min后，空冷至室温；继续将双层结构锅炉水冷壁管加热至930℃，保温20min，空冷至室温。

9.根据权利要求4所述的一种双层结构锅炉水冷壁管的制备方法，其特征在于，步骤4中，对双层结构锅炉水冷壁管进行外壁高频感应加热固溶处理，固溶处理的厚度范围为1mm～1.5mm。

10.根据权利要求4所述的一种双层结构锅炉水冷壁管的制备方法，其特征在于，步骤4中，对金属无缝内层(1)进行喷淋水降温时，监测金属无缝内层(1)的内壁温度＜400℃。