1.3　傳熱設備的材料

在進行傳熱設備設計時，對傳熱設備各種零、部件的材料，應根據設備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當然，最后還要考慮材料的經濟合理性。一般為了滿足設備的操作壓力和操作溫度，即從設備的強度或剛度的角度來考慮，是比較容易達到的。但對于材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復雜的問題。如在這方面考慮不周到，選材不妥，不僅會影響傳熱設備的使用壽命，而且也大大提高了設備的成本。材料的制造工藝性能則與傳熱設備的具體結構有密切關系。

一般換熱設備用的材料，可分為金屬材料和非金屬材料，而金屬材料又可分為黑色金屬和有色金屬。

（1）黑色金屬及其合金

①碳鋼　價格低，強度較高，對堿性介質的化學腐蝕比較穩定，對酸很容易被腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環境中應用是合理的。碳鋼按除氧的程度又可分為沸騰鋼、半鎮靜鋼和鎮靜鋼等。

沸騰鋼：容易產生偏析，有焊接裂紋產生的可能性。

鎮靜鋼：由于加工工藝性能良好，焊接性能好，被廣泛地用作傳熱設備的各種零部件的材料。

②低合金鋼　在碳鋼中加入少量的Cr、Mo等元素，以增加高溫時的強度，并作為耐腐蝕鋼在高溫高壓的氫介質環境中使用。力學性能和組織均有足夠的穩定性，無熱脆現象，冷加工性和焊接性良好。

（2）不銹鋼

①馬氏體不銹鋼　對鐵離子、亞硫酸氣體、硫化氫和環烷酸等均有耐腐蝕性，但對染料水溶液、混合氣體等的耐腐蝕性低。由于含碳較高，故強度和硬度較高，而耐腐蝕和耐熱性則稍有降低。馬氏體組織由于熱處理有淬硬性，焊接時由于熱影響產生變形應力，容易開裂。

②鐵素體不銹鋼　對氧化性酸，尤其是硝酸，有很好的耐腐蝕性。在堿性溶液、無氯鹽水、苯和洗滌劑中也都有良好的耐腐蝕性，切削性良好。但厚板焊接容易脆裂，且焊后有晶間腐蝕的傾向，不宜用于厚度較大或低溫使用的部件。

③奧氏體不銹鋼　有穩定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。

④耐熱鋼　按用途分為抗氧化鋼、熱強鋼及汽閥鋼；按組織分為鐵素體鋼、馬氏體鋼；按加工方法分為熱軋、鍛制及熱處理。

⑤低溫用鋼　按規定適用于設計溫度≤-20℃的鋼。

（3）有色金屬及其合金

①銅及銅合金　銅具有很好的導熱性、導電性，塑性也好，其強度隨溫度升高而降低，在溫度較低時，銅的強度反而升高，低溫沖擊韌性好，故在深冷低溫設備中應用較多，并廣泛用作傳熱設備。銅在不濃的硫酸或亞硫酸中耐腐蝕。在稀的和中等濃度的鹽酸、醋酸、氫氟酸和其他非氧化性酸中有較高的穩定性。銅在苛性堿中，由于形成保護膜而相當穩定。銅在許多氣體中被腐蝕。

銅鎳合金在國外廣泛地用作傳熱管，作為高溫高壓管殼式換熱器所選用的材料。

銅和銅合金在國外也作為板式換熱器中板片的材質。

②鋁及鋁合金　鋁在大氣中容易生成透明和致密的氧化物覆蓋膜，故鋁在水、大氣、中性溶液和弱酸性溶液中穩定性都很高。鋁的耐腐蝕性與純度有關，純度越高，耐腐蝕性越強。鋁的導熱性和導電性均好，富有壓延性，加工性能好。

鋁和鋁合金在板翅式換熱器制造中用得很多，有時也可用于板式換熱器中作為板片的材料。螺旋板換熱器根據使用條件也可用鋁合金材料制造。熱管所用的管子也可采用鋁作為材料。

③鎳及鎳合金　鎳的物理機械性能很好，強度高，塑性好。鎳在所有堿類中都特別耐腐蝕，這是由于它能在堿液中生成黑色的氧化物保護膜。鎳對氯氣或鹽酸也耐腐蝕，但耐氧化性酸、氧化酸式鹽較差。鎳在許多有機酸中耐腐蝕。

鎳合金被推薦使用在高溫高壓的傳熱設備中。

④復合鋼板　具有強度高和耐腐蝕性好的性能，對昂貴的耐腐蝕性材料消耗少，較經濟。覆層板材的厚度通常為2～3mm，占總厚度的10%或20%。一般復合鋼板以低碳鋼作母材，復合18-8型不銹鋼，此外有蒙乃爾、海軍黃銅（復合鋁板）和鈦等。不銹鋼復合鋼板和碳鋼一樣能夠冷加工與熱加工，可是對加熱溫度和焊接方法要特別注意。

（4）稀有金屬材料

為了解決一些特殊條件下傳熱設備的材質問題，在傳熱設備的制造中，已開始采用某些稀有金屬如鈦、鉭和鋯及其合金。這些材料通常以薄板、薄壁管和復合板的形式提供使用。由于這些材料都具有高的耐腐蝕性能，雖然價格昂貴，仍在某些場合下得到了推廣使用。

（5）非金屬材料

非金屬材料除了在一般金屬材料制的傳熱設備中用作墊片以外，在處理腐蝕性介質的條件下，已開始用來作為新型材料傳熱設備的部分材質，而達到耐熱防腐蝕的效果，其中較為廣泛的是石墨、玻璃和陶瓷等。近年來，用聚四氟乙烯塑料作為傳熱設備的材料得到了廣泛的發展和應用。

①石墨　具有許多優良的物理化學特性，有特別高的化學穩定性，在有機溶劑及無機溶劑中均不溶解，酸和堿在通常條件下對它不起作用，具有良好的導熱性和導電性。它的線性膨脹系數小，在高溫下不易變形，對溫度變化的敏感性小，能夠很好地承受熱沖擊。同時，由于它與大多數垢層的線膨脹系數相差很大，所以垢層容易清洗，甚至能夠自行脫落。石墨具有很大的孔隙率（30%左右），必須用各種樹脂來浸漬石墨，以消除孔隙成為不透性的石墨，才能用來制造傳熱設備。不透性石墨機械加工性能好，易于加工到準確的精度。但它的機械強度低，不抗彎曲和拉伸，且有脆性，易脆裂。此外，它具有各向同性，在設計和制造中必須加以考慮。

②玻璃　一般用來制造傳熱設備的玻璃材料為硼硅玻璃和石英玻璃等，而不能用普通的鈉鈣玻璃，這是由于后者熱穩定性差的緣故。玻璃具有光滑的表面，透明，容易清洗，對流體的阻力小。它具有高的耐腐蝕性，但它是脆性材料，在加工和安裝使用時必須加以注意。

③聚四氟乙烯塑料　它的商品名稱叫“泰氟隆”。由于它耐腐蝕性很強，素有“塑料王”之稱，對強腐蝕性介質如濃硝酸、濃硫酸、王水、過氧化氫、鹽酸和苛性堿等都是耐腐蝕的，大部分溶劑都不能使它溶解，只有熔融的苛性堿對它有腐蝕作用。使用溫度為-180～250℃。該塑料表面非常光滑不易結垢，但它的力學性能較差，導熱性能低，因此，應采用薄壁管以減小熱阻，采用小直徑管可以保證強度和提高單位傳熱設備體積中的傳熱表面積。