介紹了凝汽器和低壓加熱器的汽、水側(cè)的腐蝕類型和機(jī)理,從亞臨界、超臨界、空冷和核電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的要求出發(fā),給出在某一特定情況下?lián)Q熱管采用不銹鋼材質(zhì)的原由和發(fā)展方向;乃至冷卻水的現(xiàn)狀———高度工業(yè)化帶來的嚴(yán)重污染及對給水水質(zhì)的苛刻要求,尤其是超臨界機(jī)組防止銅的析出、空冷機(jī)組與鋁制散熱器的電化學(xué)腐蝕等諸方面詳細(xì)論述了換熱管采用不銹鋼材質(zhì)更是勢在必行。

為滿足對電力日益增長的需求,更多的和經(jīng)濟(jì)性更好的大型火力、核電、空冷和超臨界機(jī)組已廣為被列入電力事業(yè)發(fā)展規(guī)劃的同時(shí),新技術(shù)、新材料正在逐步突破和實(shí)施,更高的可靠性、安全性和低的停機(jī)率則是對汽輪機(jī)組的極為迫切的要求。做為關(guān)鍵設(shè)備之一的凝汽器和低壓加熱器在確保機(jī)組安全、高效方面是至關(guān)重要的;為此,在其性能和結(jié)構(gòu)上更為安全可靠和滿意的性能指標(biāo)要求而不容忽視。在對性能和造價(jià)的優(yōu)化綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后發(fā)現(xiàn),在凝汽器中,由于較高的抗腐蝕性、較顯著的平均清潔系數(shù)等優(yōu)越性能和在低壓加熱器中抗高溫腐蝕性能使不銹鋼管顯示出了更大優(yōu)勢,現(xiàn)今在國外已廣為采用。不銹鋼管凝汽器在國內(nèi)幾年前還無一采用;而低壓加熱器也只局限于300、600MW機(jī)組國外規(guī)范書的硬性規(guī)定,隨著國內(nèi)中等機(jī)組的多年運(yùn)行才迫于用戶要求開始在200MW的管束改造中實(shí)現(xiàn)。

1凝汽器

1.1凝汽器的汽側(cè)腐蝕

發(fā)生在汽側(cè)的腐蝕不但與排汽缸的高速排汽流和凝汽器的負(fù)荷有關(guān),還與換熱管材質(zhì)及凝汽器內(nèi)某些結(jié)構(gòu)有關(guān),更與附加流體流動(dòng)的正確排入相關(guān)。汽側(cè)腐蝕由于各種原因往往為人們所忽視,當(dāng)給予正視和解決時(shí),就可以在汽輪機(jī)的正常運(yùn)行中使換熱管在汽側(cè)的腐蝕減小到最低或不發(fā)生。

換熱管的汽側(cè)腐蝕機(jī)理有別于水側(cè)腐蝕的機(jī)理,只當(dāng)給予一定的充分重視就可以獲得較好的使用效果,通常發(fā)生在汽側(cè)的腐蝕如下所述。

1.1.1應(yīng)力腐蝕裂紋

應(yīng)力腐蝕裂紋可以發(fā)生在水側(cè),也可以發(fā)生在汽側(cè)。金屬在特殊腐蝕介質(zhì)中因拉伸應(yīng)力加大后緩慢形成裂紋的一種形式。眾所周知,所有金屬都至少在一種腐蝕介質(zhì)中容易產(chǎn)生,但并不是在所有腐蝕介質(zhì)中都會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋,且在一種合金中可能引起應(yīng)力腐蝕裂紋的介質(zhì)條件未必也在另一種合金中發(fā)生。運(yùn)行表明,只有銅合金發(fā)生過損壞才產(chǎn)生,而不銹鋼管則不受應(yīng)力腐蝕裂紋的影響。

另外,對銅合金來說在有溶解氧的含氨介質(zhì)(空氣冷卻區(qū))中就容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋,而不銹鋼管則不會發(fā)生。

1.1.2凝結(jié)水腐蝕

凝結(jié)水腐蝕即氨腐蝕,與應(yīng)力腐蝕裂紋介質(zhì)為同一類型,亦集中在空氣冷卻區(qū),因氨和氧的濃度特別高所致。氧在凝結(jié)水腐蝕中的作用并不亞于氨———來于漏入真空系統(tǒng)中的空氣同時(shí)也使漏入的CO2在含氨的凝結(jié)水中明顯地加速銅合金的腐蝕,故防止氨導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的諸多方法也可用來防止凝結(jié)水腐蝕,如在空氣冷卻區(qū)采用BFe30-1-1管材,但最佳還是采用不銹鋼管或鈦管。

1.1.3沖刷腐蝕

沖刷腐蝕即汽側(cè)腐蝕。當(dāng)蒸汽挾帶水滴進(jìn)入凝汽器并以高速沖擊換熱管時(shí)就產(chǎn)生了沖刷腐蝕,在重復(fù)沖擊下導(dǎo)致嚴(yán)重的腐蝕,使換熱管外表面變得粗糙,最終會管壁穿孔。盡管在整個(gè)過程中腐蝕起的作用不大,可是這種純機(jī)械過程卻很重要;它與換熱管材質(zhì)的耐腐蝕性、耐疲勞強(qiáng)度、彈性模量、硬度和極限強(qiáng)度均有關(guān),這時(shí)不銹鋼管和鈦管就優(yōu)于銅合金。

1.1.4防止汽側(cè)腐蝕的措施

通常投入正常運(yùn)行后,更準(zhǔn)確地確定汽側(cè)發(fā)生腐蝕的位置及嚴(yán)重程度頗為困難,這時(shí)只能考慮以預(yù)防措施來減小腐蝕發(fā)生的可能性并減輕到最低程度。

在結(jié)構(gòu)上為防止高速排汽流挾帶水滴造成沖擊腐蝕,取管束頂部迎風(fēng)面三排之內(nèi)為厚壁管,這也為頂排避免了高速排汽流沖擊而引發(fā)的激振。另外可在喉部設(shè)置導(dǎo)流板來重組高速排汽流分布,同時(shí),對附加流體的排放引起的沖擊浸蝕則是通過合理布置的擋板或分流集管使高速汽流或疏水(汽化)不直接射在換熱管上,使剩余能量減到可以接受的程度。

近年來國外和國內(nèi)的個(gè)別電廠已要求頂部三排和空冷區(qū)采用不銹鋼管,更有電廠由于水質(zhì)的原因全部采用不銹鋼換熱管。

1.2凝汽器的水側(cè)腐蝕

對于600MW級以上的火力、核能電廠,由于凝汽器等輔助設(shè)備安全可靠影響會使機(jī)組可用率下降約38%左右,而換熱管損壞則是可靠性頗差的主要原因之一。為避免冷卻水的漏入,應(yīng)在允許堵管率范圍內(nèi)堵塞或更換換熱管。盡管它在非停機(jī)期間內(nèi)完成,但有時(shí)往往不可能在短時(shí)間修復(fù)。由于換熱管的可靠性差造成的非計(jì)劃停機(jī)和負(fù)荷限制會造成大的經(jīng)濟(jì)損失,為正確估價(jià)損失的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,應(yīng)將這些換熱管損壞的直接費(fèi)用加在凝結(jié)水被冷卻水污染造成的巨大間接費(fèi)用上。非常明顯,漏入的污物在整個(gè)電廠汽水循環(huán)系統(tǒng)中所發(fā)現(xiàn)的眾多腐蝕損壞中占有絕大部份。眾所周知,換熱管水側(cè)腐蝕損壞的絕大多數(shù)原因皆是在一定冷卻水質(zhì)條件下,換熱管選材不當(dāng)所致。

1.2.1隙蝕和點(diǎn)蝕

隙蝕與點(diǎn)蝕機(jī)理相似外,在凝汽器換熱管中現(xiàn)象也相同。概念上的嚴(yán)格區(qū)別:點(diǎn)蝕僅可用來描述完全暴露的金屬表面上保護(hù)(鈍化)膜局部損壞而引起的腐蝕;隙蝕則是金屬表面(或緊密接近)在不與周圍介質(zhì)完全接觸區(qū)域產(chǎn)生的局部腐蝕。不與周圍介質(zhì)完全接觸的原因是由于金屬與其它材質(zhì)表面非常接近之故。譬如:隙蝕可能產(chǎn)生在冷卻管表面的疏松垢層、腐蝕產(chǎn)物、泥渣碎屑或低級殼類的下面。另外,當(dāng)隙蝕面積小時(shí),產(chǎn)生的局部腐蝕就可能類似點(diǎn)蝕。

氯化物在點(diǎn)蝕和隙蝕中起關(guān)鍵作用,它的存在促使點(diǎn)蝕的發(fā)生,高度游離的氯離子的存在會大大促進(jìn)點(diǎn)蝕和隙蝕的發(fā)展,雖然點(diǎn)蝕和隙蝕發(fā)生在整個(gè)凝汽器內(nèi)又是相當(dāng)均勻的,但當(dāng)泥渣或沉積物聚集在換熱管內(nèi)表面的底部并造成隙蝕時(shí)也就會在該處發(fā)生點(diǎn)蝕。

在各種銅基合金中都觀察到隙蝕和點(diǎn)蝕,而不銹鋼管在淡水中卻運(yùn)行良好。不久前研制成功的一系列并廣為用于海水和微咸水的高耐蝕不銹鋼中都含有大量的鉬,如所周知,它是使不銹鋼具有耐隙蝕和點(diǎn)蝕的添加劑;有的奧氏體不銹鋼含鉬量為6%,且含鉻、鎳的含量也很高。但具有同等耐蝕性的新型鐵素體不銹鋼需要的鉬含量較低;如有的不銹鋼含鉬量只為3%～4%,而新型鐵素體不銹鋼在凝汽器中的運(yùn)行證明效果是令人滿意的。據(jù)知產(chǎn)生腐蝕損壞的事實(shí)表明,含鉬量高的不銹鋼未必總能滿足運(yùn)行期望要求。

1.2.2沖擊腐蝕

換熱管的沖擊腐蝕(磨蝕)只限于銅合金,它是發(fā)生在水側(cè)管壁的局部腐蝕,能引起氧化膜的機(jī)械或電化學(xué)破壞,并具有類似點(diǎn)蝕的特點(diǎn),常受到局部流動(dòng)工況的影響,而不銹鋼管則不會發(fā)生沖擊腐蝕。

1.2.3硫化物腐蝕

冷卻水受到硫化物、多硫化合物和硫元素污染時(shí),銅合金會很快受到硫化物腐蝕、沖擊腐蝕、點(diǎn)蝕和晶間腐蝕,甚至銅鎳合金厚壁管也會很快被腐蝕穿透。

硫化物腐蝕不僅使換熱管過早損壞,還使凝汽器冷卻水出口水中含銅量增高,造成嚴(yán)重的水污染而為環(huán)保所不允許。

銅合金換熱管產(chǎn)生硫化物腐蝕最明顯的根本原因是冷卻水受到污染———如取自范圍較小的水源,就可能受到工業(yè)或生活排污的某些影響。即使耐硫化物腐蝕最強(qiáng)的銅合金管在污染的冷卻水中使用效果也不夠好。如已知冷卻水中含硫化物(多硫化合物、硫元素)并消除硫化物來源又希望不大時(shí),則必須使用不銹鋼管(或鈦管)。

1.2.4電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕是一種加速的金屬腐蝕,由于異類金屬在腐蝕性溶液中的電氣腐蝕,才得以產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。不銹鋼換熱管在相應(yīng)的管板材質(zhì)下就得以避免電化學(xué)腐蝕的發(fā)生,尤為空冷機(jī)組。

1.2.5應(yīng)力腐蝕裂紋

發(fā)生在凝汽器汽側(cè)也可以發(fā)生在水側(cè)的應(yīng)力腐蝕裂紋是一種敏感合金在特殊的腐蝕介質(zhì)中因拉伸應(yīng)力加大而緩慢形成的一種形式,而在常規(guī)的凝汽器運(yùn)行中,不銹鋼管則不受應(yīng)力腐蝕裂紋的影響。

綜上所述,在采取一般維護(hù)措施的條件下,凝汽器應(yīng)當(dāng)不出現(xiàn)嚴(yán)重的泄漏和腐蝕。目前國外機(jī)組普遍要求與汽輪機(jī)主機(jī)同壽命,所以凝汽器換熱管的選材應(yīng)針對要求管材的壽命年限、價(jià)格、運(yùn)行維護(hù)和熱力計(jì)算進(jìn)行綜合技術(shù)論證,設(shè)計(jì)者再根據(jù)所提供的水質(zhì)資料、供水方式、設(shè)計(jì)水溫,再考慮采用的水速、清洗狀況、凝汽器形式及防腐措施等諸因素后合理地選擇換熱管的材質(zhì)。管子選取的中心問題是其材質(zhì)的耐腐蝕性能,而冷卻水質(zhì)則是選材的基本依據(jù)。目前國外趨勢是淡水選用不銹鋼管,咸淡交替或海水則選用鈦管。

1.3不銹鋼換熱管

在正常運(yùn)行中,不銹鋼管實(shí)際上是不受蒸汽側(cè)腐蝕———浸蝕的影響,即耐沖擊腐蝕又耐氨腐蝕而常用于含砂量大的直流供水和含氨濃度大的二次供水,但在二次供水系統(tǒng)中也不宜用于礦物質(zhì)含量較高的補(bǔ)給水和缺水地區(qū)由于水處理發(fā)生故障使冷卻水處于明顯的蒸濃狀態(tài)。不銹鋼管在凝汽器中不會出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕,但會有氯離子的點(diǎn)蝕,實(shí)際上TP304不銹鋼在3 400ppm氯化物下運(yùn)行也是沒有問題的,在pH>8時(shí),溶解氧被維持和使結(jié)垢成為最少的話則點(diǎn)蝕也將不是問題,而含鉬的TP316不銹鋼則允許有較高的氯化物水平。

雖然不銹鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)低于銅合金管而使換熱面積增大,但由于采用薄壁(0.5mm～0.7mm)管,使耗材重量會有一定的抵消,以及固定方式的變化相應(yīng)增加的費(fèi)用與好的耐磨蝕性相比結(jié)果還是有利的;允許管內(nèi)水速的增加,又會使換熱面積增加的不大。另外,雖然污垢系數(shù)對不銹鋼管產(chǎn)生不利影響,但由于凝汽器的性能隨時(shí)間的推移而衰退的結(jié)果,不銹鋼在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)使用要比銅合金更好。對停機(jī)狀態(tài)的點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋、氧化物的耐蝕性能較差而不宜用于海水或咸淡交替水中,所以它優(yōu)選乃適用于淡水。

在凝汽器中不銹鋼管的顯著優(yōu)點(diǎn)是耐汽側(cè)挾帶水滴流動(dòng)中的沖擊腐蝕和冷卻水中的硫化氫腐蝕,但從良好的可焊性考慮只有采用奧氏體不銹鋼為更好,尤為高含鉬的不銹鋼更耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕。不銹鋼換熱管勿需人造保護(hù)膜措施,亦不會出現(xiàn)汽側(cè)的氨腐蝕和水側(cè)的侵蝕腐蝕,更為重要的是它不會造成核電站二回路的銅污染。不銹鋼管只有在80℃以上時(shí)才易受氯化物引起的應(yīng)力腐蝕裂紋,但這遠(yuǎn)高于凝汽器的正常運(yùn)行溫度。

2低壓給水加熱器(簡稱低加)

在汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)中的給水加熱器由于優(yōu)良的主給水水質(zhì)來自凝汽器之后,并經(jīng)由除氧器而使得各種牌號的銅、銅合金管及碳鋼、不銹鋼管幾乎在汽輪機(jī)全部運(yùn)行工況下不受任何影響。只是個(gè)別的在蒸汽冷卻段內(nèi)由于蒸汽的高速流動(dòng)引起有侵蝕的發(fā)生;主給水pH值下降到低于8.5以下時(shí),碳鋼管可能會迅速的遭受腐蝕,以及停機(jī)敞口時(shí)又會遭到強(qiáng)烈的氧化或停機(jī)時(shí)間過長內(nèi)部未做防氧化保護(hù)也如此。銅合金受到低加內(nèi)的氨、硫和氧的影響會發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋,當(dāng)臥式并具有內(nèi)置式疏水冷卻段的低加停機(jī)放水不當(dāng)時(shí)會受到浸蝕的困擾。

2.1工作條件的要求

由于低加位于凝結(jié)水泵之后,除氧器之前,所以無論是亞臨界還是超臨界機(jī)組,低加的水側(cè)壓力通常在0.4MPa以下,汽側(cè)溫度通常在360℃以下,由于鍋爐的類型和汽、水的腐蝕情況而決定了換熱管材質(zhì)的特性和選擇。薄壁不銹鋼管(0.9mm)與銅合金相比主要是脹管困難;不銹鋼的加工硬化特性所致,且重脹性能差。為達(dá)到更好的密封,有的廠家在管板孔內(nèi)開槽,但各制造廠無疑一律采用先脹后焊工藝。國內(nèi)所有300/600MW機(jī)組的低加皆為TP304不銹鋼管。雖然我國目前在亞臨界機(jī)組中采用錫黃銅管,但在靠近除氧器的低加由于汽側(cè)溫度大于232℃已不符合HEI標(biāo)準(zhǔn)的要求,但對超臨界機(jī)組而言采用不銹鋼管則是肯定的,對壓水堆或沸水堆核電機(jī)組則是必要的,尤其是沸水堆沒有水處理,在給水中不加化學(xué)藥品來控制含氧量和pH值。在空冷機(jī)組中由于采用翅片鋁管散熱器,出于防止電化學(xué)腐蝕的發(fā)生,則必須采用鐵基合金(碳鋼或不銹鋼)。

2.2運(yùn)行中的要求

迄今為止,沒有一種換熱管材質(zhì)在冶金、機(jī)械和耐蝕性能等方面處于全部理想狀態(tài)。從純學(xué)術(shù)觀點(diǎn)分析所有合金都可能因很多現(xiàn)代電廠條件下所存在的某種腐蝕、機(jī)械原因而損壞,即使不銹鋼總的優(yōu)勢高于銅基合金,但氯離子危害所致意外的應(yīng)力腐蝕裂紋則不可忽視。同樣在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也必須考慮良好的抽空氣系統(tǒng)以防止有害氣體的堆積。另外低加U形換熱管的彎制所致的冷硬變形應(yīng)力,也必須在彎后當(dāng)班進(jìn)行除應(yīng)力熱處理。

3結(jié)論

凝汽器、低加采用焊接薄壁不銹鋼管在國外亦趨普遍,國內(nèi)正在起步。凝汽器———由于冷卻水污染、水資源的乏匱和蒸濃現(xiàn)象的突出,對常規(guī)火電廠尤為重要。低加———國內(nèi)大機(jī)組早已采用,中等機(jī)組仍在徘徊之中,近年來200MW與除氧器相鄰的低加由于汽側(cè)溫度偏高正納入換管改造之列,使用效果優(yōu)于銅合金管�？傊�不銹鋼管使用可達(dá)4MPa、400℃,管內(nèi)水速可達(dá)3.2m/s;由于HEI新版的管材修正系數(shù)的提高使得總體傳熱系數(shù)加大,結(jié)果使換熱面積有限加大而更有利于不銹鋼管的廣為采用。