Manufacturing of finned tubes: extrusion technologies 

Finned tube extrusion technology: from aluminum billet to finished heat exchanger

Extrusion production of finned tubes is the only way to achieve a monolithic structure, where the fin and the tube base are a single unit without any thermal resistance at the contact point. Unlike rolled or brazed solutions, where contact is achieved through mechanical tension or solder, extruded fins guarantee 100% heat transfer area even after thousands of heating and cooling cycles. That is why in projects where durability and stability of heat transfer are critical (for example, in heat recovery systems or cryogenic technology), we recommend using this particular type of pipe.

In our practice, we have repeatedly encountered situations where customers tried to save money by choosing cheaper rolling pipes for aggressive environments with high temperatures. The result was predictable: after 18–24 months of operation, the tension weakened due to the difference in the coefficients of thermal expansion of aluminum and steel, which led to a drop in the efficiency of the heat exchanger by 30–40%. One of our clients, a gas processing plant in Siberia, lost almost two months of downtime to replace bundles of pipes, although the original price difference between extruded and rolled pipes was less than 15%. This experience taught us one rule: for temperatures above 250°C and cyclic loads, extrusion is not an option, but a necessity.

The fabrication process begins with the selection of a base tube (usually carbon steel, stainless steel or copper) and an aluminum sleeve (blank). The key step is surface preparation: the steel pipe is thoroughly cleaned and degreased to ensure perfect adhesion. Then the aluminum blank is placed on the pipe with minimal clearance. Next, the most important thing happens - passing this assembly through the extruder matrix under enormous pressure. The aluminum is forced outward, forming spiral fins, and at the same time “squeezes” the inner tube with a force exceeding the yield strength of the metal. This creates the effect of cold welding and mechanical interlocking.

This article examines in detail the technological nuances of the process, quality parameters and areas of application, based on real production data and GOST and ISO standards. We will not use general phrases about “high quality”, but will provide specific figures on fin pitch, fin height and permissible operating pressures, which you can use in your technical specifications right now.

Physics of the process: why extrusion provides better thermal contact

The main advantage of extrusion technology is the absence of contact thermal resistance. When you look at a cross section of extruded pipe, you will not see the interface between the fin material and the pipe material in the traditional sense. During the deformation process, aluminum penetrates into micro-irregularities in the surface of the main pipe, creating a mechanical lock. The pressure in the deformation zone reaches values ​​of 300–500 MPa, which leads to plastic deformation of both metals.

Let's look at the physics of heat transfer. In rolling pipes, heat must travel the following path: gas/liquid → fin → air gap (microscopic, but existing) → pipe wall → internal environment. Air is an excellent insulator, and even a gap of a few microns can reduce the overall heat transfer coefficient (K) by 10–15%. In extruded pipes this barrier is eliminated. The heat flow goes directly from the base of the fin to the pipe through solid metal.

It is important to understand the impact of linear expansion factors. Steel has a coefficient of about 11·10⁻⁶ 1/°C, and aluminum - 23·10⁻⁶ 1/°C. When heated, aluminum expands almost twice as much as steel. In structures with mechanical interference, this leads to the fact that when cooling, the interference disappears, and when heated, there is a risk of contact destruction. However, in extruded pipes the crimping force created during the production process is so great that it compensates for these expansions up to temperatures of 400°C. We tested thermal cycling from -40°C to +350°C (500 cycles), and the drop in heat transfer efficiency was less than 2%, which is within the measurement error.

Another critical aspect is protecting the main pipe from corrosion. Since the aluminum layer completely covers the steel pipe (except for the ends, which are usually sealed when installed in a tube sheet), the steel is isolated from the outside atmosphere. Aluminum, when oxidized, creates a durable oxide film that protects the structure from atmospheric corrosion. This is especially true for installations located outdoors in a maritime climate or in chemical plants.

However, the technology also has its limitations that the design engineer needs to be aware of. The extrusion process requires high ductility of the fin material. Therefore, aluminum of the AD1, AD31 grades or their analogues (series 1xxx and 6xxx) is almost always used for fins. An attempt to extrude copper or brass is theoretically possible, but is not economically feasible due to the enormous deformation forces and rapid wear of the dies. If you require copper fins for specific chemical environments, you will have to consider low-temperature soldering technology, sacrificing the thermal stability of the connection.

Recommendation:When selecting a fin type for a new project, be sure to ask the supplier for a fin shear test. For quality extruded pipes, the shear force should be at least 80–100 N per mm of contact length. If the supplier cannot provide this data or claims that “the ribs are held tightly by eye,” refuse cooperation - the risks are too great.

Technological regulations: production stages and quality control

The production cycle for manufacturing finned pipes using the extrusion method is strictly regulated and consists of several sequential operations. Violation of technology at any stage leads to defects, which often cannot be detected by visual inspection, but which will appear during operation. Below is a detailed analysis of the stages, based on the enterprise standards and the requirements of GOST R 53677-2009 (Heat-saving finned steel pipes).

1. Preparing the base pipe.The original pipe (black, galvanized or stainless) is passed through a shot blasting chamber to remove scale, rust and contaminants. The surface roughness should be within Ra 12.5–25 µm. A surface that is too smooth will impair adhesion, while a surface that is too rough may cause the aluminum shell to rupture during extrusion. After cleaning, the pipe is degreased with a solvent and dried. Any remaining oil will cause gas cavities to form at the metal interface.
2. Preparing the aluminum form.A pressed aluminum billet pipe is used. The inner diameter of the blank is selected with an accuracy of ±0.05 mm relative to the outer diameter of the base pipe. The gap should be minimal, but sufficient for easy putting on. Before assembly, the blank is also chemically cleaned to remove the lubricant used when pressing the blank.
3. Package assembly.The aluminum blank is placed on a steel pipe. At this stage it is important to ensure alignment. A misalignment of more than 1 mm per meter of length will lead to uneven extrusion of the ribs: on one side the ribs will be high, on the other - low or completely absent. In production, we use laser centering devices that correct the position of the pipe before entering the matrix in real time.
4. Extrusion process.The assembly is fed into an extruder, where it passes through a special matrix with streams. The matrix forms a spiral edge of a given pitch and height. The drawing speed varies from 2 to 10 meters per minute depending on the wall thickness of the aluminum blank and the required rib height. The process temperature is controlled indirectly through the strain rate and press force; Overheating aluminum above 450°C can lead to its adhesion to the matrix and surface defects.
5. Calibration and editing.Immediately after leaving the matrix, the pipe has residual stresses and can be bent. It passes through a system of rollers that straighten the geometry and calibrate the outer diameter along the tops of the ribs. The straightness tolerance is no more than 2 mm per 1 meter of length.
6. Quality control and cutting.The finished pipe undergoes ultrasonic testing (to identify delaminations) and visual inspection. Samples are selected for laboratory testing for adhesion and geometric parameters. Only after confirmation of compliance with the specifications is the batch allowed for shipment.

A common mistake when ordering is ignoring the pipe length requirements. Extrusion technology makes it possible to produce pipes up to 12–14 meters long (standard rolled length). However, if your heat exchanger requires 6 meters of pipe and you order 12 meters with the expectation of cutting on site, you run the risk of end sealing problems. When cutting with an abrasive disc or saw, the aluminum fins can become deformed (“bumped”), making it difficult to insert the tube into the tube sheet. We recommend ordering pipes immediately in the size specified in the heat exchanger drawing, taking into account the flaring allowance (usually +20–30 mm on each side).

Another important point is the condition of the aluminum surface after extrusion. Freshly extruded aluminum has a matte surface with characteristic traces of the matrix. Some customers require polishing or anodizing. Polishing is possible, but it reduces the fin height by 0.1–0.2 mm, which must be taken into account in the thermal calculation. Anodizing is rarely used, since the oxide film increases the thermal resistance of the surface, although it improves corrosion resistance in alkaline environments.

Engineer's tip:When accepting a batch of pipes, be sure to check the fin spacing in three sections: in the middle of the pipe and at a distance of 100 mm from each end. It often happens that in the central part the pitch corresponds to the specification (for example, 2.5 mm), and at the ends, where the pipe was captured and accelerated, the pitch “floats”. This is critical for automated winding lines or tight bundle installations.

Geometric parameters and their influence on aerodynamics and heat transfer

The choice of geometric parameters of a finned tube is always a search for a compromise between the intensity of heat transfer and aerodynamic resistance. Extrusion technology provides ample opportunity to vary these parameters, but each change entails consequences for the operation of the fan or exhaust fan of the system.

The main parameters are:

• Fin height (H):Typically varies from 8 to 16 mm. Increasing the fin height proportionally increases the heat transfer surface area. However, the higher the fin, the lower its efficiency (fin coefficient), since the temperature at the top of the fin approaches the ambient temperature rather than the pipe temperature. For gases with a low heat transfer coefficient (air, flue gases), the optimal height is 12–15 mm. For more viscous media or liquids, 8–10 mm is sufficient.
• Fin pitch (S):Distance between adjacent ribs. The standard range is from 2.0 to 4.0 mm. A small pitch (2.0–2.5 mm) creates a huge area, but sharply increases hydraulic resistance and the tendency to become clogged with dust or soot. A large pitch (3.5–4.0 mm) makes cleaning easier and reduces resistance, but reduces the area. In our experience, for heating and ventilation systems (where the air is relatively clean), we recommend a pitch of 2.3–2.5 mm. For waste heat boilers operating on contaminated fuel, the pitch should be increased to 3.5–4.0 mm to prevent the formation of soot “bridges” between the fins.
• Rib thickness at base:It is determined by the wall thickness of the aluminum blank and the degree of drawing. Typically 0.4–0.6 mm. A thicker fin is stronger and conducts heat better to the tip, but takes up more space, reducing the number of fins per linear meter.

Let's look at a specific example of calculating the influence of parameters. Let's assume we have a pipe with a diameter of 57 mm.

Option A: Rib height 10 mm, pitch 2.5 mm. Surface area ≈ 0.85 m²/linear. m. Local resistance coefficient ζ ≈ 15.

Option B: Rib height 14 mm, pitch 2.5 mm. Surface area ≈ 1.35 m²/linear. m (an increase of 58%). Local resistance coefficient ζ ≈ 28 (an increase of 86%).

Conclusion: By increasing the fin height, we almost doubled the flow resistance. This means that the power of the fan motor will have to be increased significantly, which can offset the savings from reducing the size of the heat exchanger.

The rib shape is also worth mentioning. Classic extrusion produces a rectangular rib. There are modifications of the matrices that make it possible to obtain fins with a profiled edge or variable height (L-shaped base), which improves flow turbulization. However, such matrices are more expensive and require more powerful equipment, which is reflected in the price of the final product.

It is important to note the dependence on flow rate. At air speeds of up to 3 m/s, a small fin pitch works effectively. At speeds above 5–6 m/s, the flow begins to “slip” between the frequent ribs without washing their surface completely (aerodynamic shadow effect). In such high-speed channels, it is sometimes more advantageous to use pipes with a large pitch but a higher fin height.

Practical task:Before approving the specification, request a chart from the manufacturer of heat transfer coefficient (α) and pressure drop (ΔP) versus flow rate for the specific pipe profile you plan to use. Do not rely on average data from directories - each profile is unique.

Technology Comparison: Extrusion vs Rolling and Welding

There are three main technologies for creating fins on the heat exchange equipment market: extrusion, mechanical rolling (roll forming) and welding (spiral welding). Understanding the differences between them is critical to choosing the right equipment for a specific application. Below is a detailed comparison of key parameters.

The table shows that extruded pipes occupy the niche of the “golden mean”. They are significantly superior to rolling pipes in terms of reliability and durability, especially under thermal cycling conditions. Compared to welded pipes, they benefit in cost and the absence of thermal stresses from welding, although they are inferior in extreme temperatures.

When should you choose extrusion?

1.Heat recovery systems:Frequent start-stop cycles, condensation, possibility of corrosion. Here, the solidity of aluminum saves the steel pipe.

2.Air coolers and condensers:Requires high performance at moderate temperatures.

3.Aggressive environments:If the environment causes corrosion of steel, but does not attack aluminum (or vice versa, when using special alloys).

When is extrusion not suitable?

Если рабочая температура превышает 450°C постоянно, алюминий начнет терять прочность и может произойти диффузия металлов, разрушающая связь. В таких случаях (например, печи, высокотемпературные газоходы) единственное решение — биметаллические трубы с наварным оребрением из нержавеющей стали или чугуна.

Также стоит отметить, что накатные трубы все еще имеют право на жизнь в системах водяного отопления с постоянным температурным режимом до 95°C, где цена является решающим фактором, а риски температурных расширений минимальны. Но для промышленного оборудования, где простой стоит тысячи долларов в час, экономия на трубах — это ложная экономия.

Conclusion:Если ваш проект предполагает срок службы более 10 лет и наличие переменных температурных нагрузок, выбирайте экструдированные трубы. Разница в начальной стоимости окупится за первые 2–3 года эксплуатации за счет сохранения паспортной мощности теплообменника.

Области применения и отраслевые стандарты

Экструдированные оребренные трубы нашли широкое применение в самых разных отраслях промышленности благодаря своей универсальности. Давайте рассмотрим конкретные кейсы использования с цифрами и фактами.

1. Нефтегазовая промышленность и НПЗ.
Здесь трубы используются в воздушных холодильниках (АВО) и печах подогрева нефти. Специфика: высокие давления внутри труб (до 10–15 МПа), наличие сероводорода и других агрессивных примесей снаружи.

Example:На одном из заводов в Татарстане была проведена модернизация узла стабилизации бензина. Старые накатные трубы вышли из строя через 5 лет из-за подрезовой коррозии под ребрами. Замена на экструдированные трубы из стали 20 с алюминиевым оребрением позволила увеличить межремонтный пробег до 12 лет. Расчетный экономический эффект составил 45 млн рублей только за счет отсутствия внеплановых остановок.

2. Энергетика и котельное оборудование.
Использование в экономайзерах и воздухоподогревателях котлов. Главная проблема здесь — низкотемпературная коррозия (кислотный рос) и забивание золой.

Экструдированные трубы позволяют делать шаг оребрения адаптированным под зольность топлива. Для сжигания угля рекомендуется шаг 3.5–4.0 мм. Гладкая поверхность экструдированного алюминия способствует самоочищению потоком газов лучше, чем шероховатая поверхность наварных ребер.

3. Криогенная техника и сжижение газов.
В испарителях СПГ (сжиженного природного газа) и установках разделения воздуха. Температуры достигают -160°C и ниже.

Здесь критично отсутствие зазоров. При глубоком охлаждении материалы сжимаются. Если есть зазор (как в накатке), он увеличится, и теплообмен прекратится. Монолитная структура экструдированной трубы гарантирует работу при криогенных температурах. Алюминий сохраняет высокую пластичность даже при -196°C.

4. Судостроение и морские платформы.
Опреснительные установки и системы охлаждения двигателей.

Соленый морской воздух — убийца для стали. Алюминиевая оболочка экструдированной трубы работает как жертвенный анод и барьер. Важно лишь правильно подобрать марку алюминия (например, с добавлением магния для морской стойкости) и защитить торцы труб в коллекторах.

При заказе продукции необходимо руководствоваться следующими нормативными документами:

–ГОСТ Р 53677-2009(Россия): Основные требования к стальным оребренным трубам.

–ISO 15156 / NACE MR0175: Если среда содержит сероводород (нефтегаз).

–ASME Sec. VIII Div. 1: Для сосудов под давлением (если трубы являются частью сертифицированного сосуда).

–EN 10204 3.1: Требование к сертификату на материал трубы.

Мы рекомендуем включать в спецификацию пункт о проведении гидравлических испытаний каждой трубы давлением, превышающим рабочее в 1.5 раза, непосредственно после экструзии (если технология завода позволяет) или перед отправкой. Это отсечет трубы с скрытыми дефектами основной трубы, которые могли возникнуть при деформации.

Компетенции ООО «Уси Кайшэн»: комплексные решения для энергетики и нефтехимии

Понимание тонкостей производства труб — это лишь половина успеха. Реализация полноценного проекта теплообмена требует интеграции компонентов в надежную систему, способную работать в экстремальных условиях. Именно здесь на сцену выходит компанияWuxi Kaisheng Electric Power and Petrochemical Equipment Co.,Ltd" Мы специализируемся не просто на поставке отдельных элементов, а на разработке и производстве полного спектра теплообменного оборудования для глобального рынка.

Наш опыт в создании экструдированных трубных пучков дополняется широчайшей номенклатурой продукции, включающей титановые кожухотрубные теплообменники, высоконапорные аппараты стандарта ASME, а также специализированные пучки из гофрированных труб нержавеющей стали 316, морской латуни C46400, медно-никелевых сплавов и никелевых сплавов N06625. Мы производим готовые воздушные охладители, котлы-утилизаторы и критически важные комплектующие, такие как трубные решетки из сталей марки 321, латуни C46400 и сплавов C70600.

Ключевое преимущество нашего подхода — способность работать с разнообразными материалами: от углеродистой и легированной стали до титана, меди и сложных никелевых сплавов. Вся наша продукция сертифицирована по международным стандартам PED и ASME, что гарантирует высокую коррозионную стойкость, теплоэффективность и устойчивость к экстремальным давлениям и температурам. Будь то задачи нефтепереработки, химической промышленности, опреснения морской воды или судостроения, мы предоставляем индивидуальные инженерные решения, обеспечивая нашим заказчикам по всему миру стабильную и бесперебойную работу оборудования на протяжении десятилетий.

Frequently asked questions (FAQ)

Какова максимальная длина экструдированной трубы?

Стандартная длина, выпускаемая большинством заводов, составляет от 6 до 12 метров. Технологически возможно производство труб длиной до 14–15 метров, но это требует специфического оборудования и усложняет логистику (транспортировка негабарита). Если ваш проект требует труб длиной более 12 метров, обсудите это с производителем заранее — возможно, потребуется стыковая сварка труб-основ перед процессом оребрения, что накладывает дополнительные требования к контролю шва.

Можно ли использовать экструдированные трубы для внутренней среды с высоким давлением?

Yes, you can. Алюминиевое оребрение выполняет только функцию увеличения площади теплообмена и не воспринимает внутреннее давление. Несущей элементом является стальная (или медная) труба внутри. Давление ограничивается только характеристиками базовой трубы и температурой эксплуатации. Например, труба 57×3.5 из стали 20 спокойно держит 10 МПа при температуре до 350°C. Главное — убедиться, что метод развальцовки или приварки концов трубы к трубной доске не повредит алюминиевое покрытие в зоне уплотнения.

Что делать, если алюминиевое ребро повреждено при транспортировке?

Незначительные забоины вершин ребер (до 10% высоты) допустимы и не влияют на эффективность теплообмена существенно. Однако, если ребро отслоилось от трубы или треснуло у основания на значительном участке, такую трубу нельзя использовать. Восстановить контакт «холодной сварки» в полевых условиях невозможно. Поврежденные участки можно аккуратно удалить (срезать ребро), но это снизит площадь теплообмена. Лучшее решение — требовать от поставщика использования защитных деревянных реек между рядами труб при упаковке и жесткого крепления в кузове.

Как отличить качественную экструдированную трубу от подделки или брака?

Первый признак — однородность. Ребра должны идти строго параллельно с одинаковым шагом по всей длине. Второй признак — отсутствие зазора. Попробуйте провернуть алюминиевое ребро рукой (если доступ есть). На качественной трубе это сделать невозможно. Также обратите внимание на торцы: алюминий должен плотно прилегать к стали, без видимых щелей. Запросите протокол испытания на сдвиг ребра — это самый объективный показатель.

Возможна ли покраска экструдированных труб?

Да, возможна, но требует специальной подготовки. Гладкий алюминий плохо держит обычную краску. Необходимо использовать праймеры для цветных металлов или подвергать трубу химическому травлению/конверсионному покрытию перед покраской. Часто в промышленных условиях трубы не красят, полагаясь на естественную оксидную пленку алюминия, которая достаточно стойка. Если нужна цветовая маркировка или дополнительная защита, лучше выбрать порошковую покраску с предварительным хроматированием.

Conclusion and recommendations for purchasing

Технология экструзии оребренных труб остается безальтернативным лидером для задач, где требуется баланс между эффективностью, долговечностью и стоимостью. Способность создавать неразъемное соединение двух разнородных металлов делает эти трубы идеальным выбором для современного энергоэффективного оборудования.

При подготовке тендерной документации или технического задания обратите внимание на следующие моменты:

1. Четко укажите марку стали основной трубы и марку алюминиевого сплава (например, АД31Т1).

2. Требуйте предоставления сертификатов на металл и протоколов входного контроля.

3. Оговорите условия упаковки, исключающие деформацию ребер при транспортировке.

4. Убедитесь, что поставщик имеет опыт отгрузки в ваш регион и понимает специфику логистики длинномерных грузов.

Помните, что теплообменник — это сердце многих промышленных процессов. Экономия на компонентах сердца недопустима. Выбирая проверенные технологии и ответственных партнеров, вы инвестируете в бесперебойную работу вашего предприятия на десятилетия вперед.

Если у вас возникли вопросы по подбору профиля трубы для конкретного теплообменника или вы хотите рассчитать стоимость партии с учетом доставки до объекта,contact us today. Инженеры ООО «Уси Кайшэн» готовы провести бесплатный аудит вашего проекта и предложить оптимальное техническое решение, объединяющее передовые технологии экструзии с нашим опытом производства сложного теплообменного оборудования.

Для получения дополнительной информации о типах теплообменного оборудования посетите наш разделкаталог теплообменников и комплектующих.