1.3　传热设备的材料

在进行传热设备设计时，对传热设备各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的。但对于材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。如在这方面考虑不周到，选材不妥，不仅会影响传热设备的使用寿命，而且也大大提高了设备的成本。材料的制造工艺性能则与传热设备的具体结构有密切关系。

一般换热设备用的材料，可分为金属材料和非金属材料，而金属材料又可分为黑色金属和有色金属。

（1）黑色金属及其合金

①碳钢　价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，对酸很容易被腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。碳钢按除氧的程度又可分为沸腾钢、半镇静钢和镇静钢等。

沸腾钢：容易产生偏析，有焊接裂纹产生的可能性。

镇静钢：由于加工工艺性能良好，焊接性能好，被广泛地用作传热设备的各种零部件的材料。

②低合金钢　在碳钢中加入少量的Cr、Mo等元素，以增加高温时的强度，并作为耐腐蚀钢在高温高压的氢介质环境中使用。力学性能和组织均有足够的稳定性，无热脆现象，冷加工性和焊接性良好。

（2）不锈钢

①马氏体不锈钢　对铁离子、亚硫酸气体、硫化氢和环烷酸等均有耐腐蚀性，但对染料水溶液、混合气体等的耐腐蚀性低。由于含碳较高，故强度和硬度较高，而耐腐蚀和耐热性则稍有降低。马氏体组织由于热处理有淬硬性，焊接时由于热影响产生变形应力，容易开裂。

②铁素体不锈钢　对氧化性酸，尤其是硝酸，有很好的耐腐蚀性。在碱性溶液、无氯盐水、苯和洗涤剂中也都有良好的耐腐蚀性，切削性良好。但厚板焊接容易脆裂，且焊后有晶间腐蚀的倾向，不宜用于厚度较大或低温使用的部件。

③奥氏体不锈钢　有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。

④耐热钢　按用途分为抗氧化钢、热强钢及汽阀钢；按组织分为铁素体钢、马氏体钢；按加工方法分为热轧、锻制及热处理。

⑤低温用钢　按规定适用于设计温度≤-20℃的钢。

（3）有色金属及其合金

①铜及铜合金　铜具有很好的导热性、导电性，塑性也好，其强度随温度升高而降低，在温度较低时，铜的强度反而升高，低温冲击韧性好，故在深冷低温设备中应用较多，并广泛用作传热设备。铜在不浓的硫酸或亚硫酸中耐腐蚀。在稀的和中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸和其他非氧化性酸中有较高的稳定性。铜在苛性碱中，由于形成保护膜而相当稳定。铜在许多气体中被腐蚀。

铜镍合金在国外广泛地用作传热管，作为高温高压管壳式换热器所选用的材料。

铜和铜合金在国外也作为板式换热器中板片的材质。

②铝及铝合金　铝在大气中容易生成透明和致密的氧化物覆盖膜，故铝在水、大气、中性溶液和弱酸性溶液中稳定性都很高。铝的耐腐蚀性与纯度有关，纯度越高，耐腐蚀性越强。铝的导热性和导电性均好，富有压延性，加工性能好。

铝和铝合金在板翅式换热器制造中用得很多，有时也可用于板式换热器中作为板片的材料。螺旋板换热器根据使用条件也可用铝合金材料制造。热管所用的管子也可采用铝作为材料。

③镍及镍合金　镍的物理机械性能很好，强度高，塑性好。镍在所有碱类中都特别耐腐蚀，这是由于它能在碱液中生成黑色的氧化物保护膜。镍对氯气或盐酸也耐腐蚀，但耐氧化性酸、氧化酸式盐较差。镍在许多有机酸中耐腐蚀。

镍合金被推荐使用在高温高压的传热设备中。

④复合钢板　具有强度高和耐腐蚀性好的性能，对昂贵的耐腐蚀性材料消耗少，较经济。覆层板材的厚度通常为2～3mm，占总厚度的10%或20%。一般复合钢板以低碳钢作母材，复合18-8型不锈钢，此外有蒙乃尔、海军黄铜（复合铝板）和钛等。不锈钢复合钢板和碳钢一样能够冷加工与热加工，可是对加热温度和焊接方法要特别注意。

（4）稀有金属材料

为了解决一些特殊条件下传热设备的材质问题，在传热设备的制造中，已开始采用某些稀有金属如钛、钽和锆及其合金。这些材料通常以薄板、薄壁管和复合板的形式提供使用。由于这些材料都具有高的耐腐蚀性能，虽然价格昂贵，仍在某些场合下得到了推广使用。

（5）非金属材料

非金属材料除了在一般金属材料制的传热设备中用作垫片以外，在处理腐蚀性介质的条件下，已开始用来作为新型材料传热设备的部分材质，而达到耐热防腐蚀的效果，其中较为广泛的是石墨、玻璃和陶瓷等。近年来，用聚四氟乙烯塑料作为传热设备的材料得到了广泛的发展和应用。

①石墨　具有许多优良的物理化学特性，有特别高的化学稳定性，在有机溶剂及无机溶剂中均不溶解，酸和碱在通常条件下对它不起作用，具有良好的导热性和导电性。它的线性膨胀系数小，在高温下不易变形，对温度变化的敏感性小，能够很好地承受热冲击。同时，由于它与大多数垢层的线膨胀系数相差很大，所以垢层容易清洗，甚至能够自行脱落。石墨具有很大的孔隙率（30%左右），必须用各种树脂来浸渍石墨，以消除孔隙成为不透性的石墨，才能用来制造传热设备。不透性石墨机械加工性能好，易于加工到准确的精度。但它的机械强度低，不抗弯曲和拉伸，且有脆性，易脆裂。此外，它具有各向同性，在设计和制造中必须加以考虑。

②玻璃　一般用来制造传热设备的玻璃材料为硼硅玻璃和石英玻璃等，而不能用普通的钠钙玻璃，这是由于后者热稳定性差的缘故。玻璃具有光滑的表面，透明，容易清洗，对流体的阻力小。它具有高的耐腐蚀性，但它是脆性材料，在加工和安装使用时必须加以注意。

③聚四氟乙烯塑料　它的商品名称叫“泰氟隆”。由于它耐腐蚀性很强，素有“塑料王”之称，对强腐蚀性介质如浓硝酸、浓硫酸、王水、过氧化氢、盐酸和苛性碱等都是耐腐蚀的，大部分溶剂都不能使它溶解，只有熔融的苛性碱对它有腐蚀作用。使用温度为-180～250℃。该塑料表面非常光滑不易结垢，但它的力学性能较差，导热性能低，因此，应采用薄壁管以减小热阻，采用小直径管可以保证强度和提高单位传热设备体积中的传热表面积。