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介紹了凝汽器和低壓加熱器的汽、水側的腐蝕類型和機理,從亞臨界、超臨界、空冷和核電機組運行參數的要求出發,給出在某一特定情況下換熱管采用不銹鋼材質的原由和發展方向;乃至冷卻水的現狀———高度工業化帶來的嚴重污染及對給水水質的苛刻要求,尤其是超臨界機組防止銅的析出、空冷機組與鋁制散熱器的電化學腐蝕等諸方面詳細論述了換熱管采用不銹鋼材質更是勢在必行。

為滿足對電力日益增長的需求,更多的和經濟性更好的大型火力、核電、空冷和超臨界機組已廣為被列入電力事業發展規劃的同時,新技術、新材料正在逐步突破和實施,更高的可靠性、安全性和低的停機率則是對汽輪機組的極為迫切的要求。做為關鍵設備之一的凝汽器和低壓加熱器在確保機組安全、高效方面是至關重要的;為此,在其性能和結構上更為安全可靠和滿意的性能指標要求而不容忽視。在對性能和造價的優化綜合經濟技術比較后發現,在凝汽器中,由于較高的抗腐蝕性、較顯著的平均清潔系數等優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勢,現今在國外已廣為采用。不銹鋼管凝汽器在國內幾年前還無一采用;而低壓加熱器也只局限于300、600MW機組國外規范書的硬性規定,隨著國內中等機組的多年運行才迫于用戶要求開始在200MW的管束改造中實現。

1凝汽器

1.1凝汽器的汽側腐蝕

發生在汽側的腐蝕不但與排汽缸的高速排汽流和凝汽器的負荷有關,還與換熱管材質及凝汽器內某些結構有關,更與附加流體流動的正確排入相關。汽側腐蝕由于各種原因往往為人們所忽視,當給予正視和解決時,就可以在汽輪機的正常運行中使換熱管在汽側的腐蝕減小到最低或不發生。

換熱管的汽側腐蝕機理有別于水側腐蝕的機理,只當給予一定的充分重視就可以獲得較好的使用效果,通常發生在汽側的腐蝕如下所述。

1.1.1應力腐蝕裂紋

應力腐蝕裂紋可以發生在水側,也可以發生在汽側。金屬在特殊腐蝕介質中因拉伸應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中容易產生,但并不是在所有腐蝕介質中都會產生應力腐蝕裂紋,且在一種合金中可能引起應力腐蝕裂紋的介質條件未必也在另一種合金中發生。運行表明,只有銅合金發生過損壞才產生,而不銹鋼管則不受應力腐蝕裂紋的影響。

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

1.1.2凝結水腐蝕

凝結水腐蝕即氨腐蝕,與應力腐蝕裂紋介質為同一類型,亦集中在空氣冷卻區,因氨和氧的濃度特別高所致。氧在凝結水腐蝕中的作用并不亞于氨———來于漏入真空系統中的空氣同時也使漏入的CO2在含氨的凝結水中明顯地加速銅合金的腐蝕,故防止氨導致產生應力腐蝕裂紋的諸多方法也可用來防止凝結水腐蝕,如在空氣冷卻區采用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

沖刷腐蝕即汽側腐蝕。當蒸汽挾帶水滴進入凝汽器并以高速沖擊換熱管時就產生了沖刷腐蝕,在重復沖擊下導致嚴重的腐蝕,使換熱管外表面變得粗糙,最終會管壁穿孔。盡管在整個過程中腐蝕起的作用不大,可是這種純機械過程卻很重要;它與換熱管材質的耐腐蝕性、耐疲勞強度、彈性模量、硬度和極限強度均有關,這時不銹鋼管和鈦管就優于銅合金。

1.1.4防止汽側腐蝕的措施

通常投入正常運行后,更準確地確定汽側發生腐蝕的位置及嚴重程度頗為困難,這時只能考慮以預防措施來減小腐蝕發生的可能性并減輕到最低程度。

在結構上為防止高速排汽流挾帶水滴造成沖擊腐蝕,取管束頂部迎風面三排之內為厚壁管,這也為頂排避免了高速排汽流沖擊而引發的激振。另外可在喉部設置導流板來重組高速排汽流分布,同時,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。

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

1.2凝汽器的水側腐蝕

對于600MW級以上的火力、核能電廠,由于凝汽器等輔助設備安全可靠影響會使機組可用率下降約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,應在允許堵管率范圍內堵塞或更換換熱管。盡管它在非停機期間內完成,但有時往往不可能在短時間修復。由于換熱管的可靠性差造成的非計劃停機和負荷限制會造成大的經濟損失,為正確估價損失的經濟價值,應將這些換熱管損壞的直接費用加在凝結水被冷卻水污染造成的巨大間接費用上。非常明顯,漏入的污物在整個電廠汽水循環系統中所發現的眾多腐蝕損壞中占有絕大部份。眾所周知,換熱管水側腐蝕損壞的絕大多數原因皆是在一定冷卻水質條件下,換熱管選材不當所致。

1.2.1隙蝕和點蝕

隙蝕與點蝕機理相似外,在凝汽器換熱管中現象也相同。概念上的嚴格區別:點蝕僅可用來描述完全暴露的金屬表面上保護(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)在不與周圍介質完全接觸區域產生的局部腐蝕。不與周圍介質完全接觸的原因是由于金屬與其它材質表面非常接近之故。譬如:隙蝕可能產生在冷卻管表面的疏松垢層、腐蝕產物、泥渣碎屑或低級殼類的下面。另外,當隙蝕面積小時,產生的局部腐蝕就可能類似點蝕。

氯化物在點蝕和隙蝕中起關鍵作用,它的存在促使點蝕的發生,高度游離的氯離子的存在會大大促進點蝕和隙蝕的發展,雖然點蝕和隙蝕發生在整個凝汽器內又是相當均勻的,但當泥渣或沉積物聚集在換熱管內表面的底部并造成隙蝕時也就會在該處發生點蝕。

在各種銅基合金中都觀察到隙蝕和點蝕,而不銹鋼管在淡水中卻運行良好。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行證明效果是令人滿意的。據知產生腐蝕損壞的事實表明,含鉬量高的不銹鋼未必總能滿足運行期望要求。

1.2.2沖擊腐蝕

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

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,銅合金會很快受到硫化物腐蝕、沖擊腐蝕、點蝕和晶間腐蝕,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,造成嚴重的水污染而為環保所不允許。

銅合金換熱管產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,就可能受到工業或生活排污的某些影響。即使耐硫化物腐蝕最強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,則必須使用不銹鋼管(或鈦管)。

1.2.4電化學腐蝕

電化學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,才得以產生電化學腐蝕。不銹鋼換熱管在相應的管板材質下就得以避免電化學腐蝕的發生,尤為空冷機組。

1.2.5應力腐蝕裂紋

發生在凝汽器汽側也可以發生在水側的應力腐蝕裂紋是一種敏感合金在特殊的腐蝕介質中因拉伸應力加大而緩慢形成的一種形式,而在常規的凝汽器運行中,不銹鋼管則不受應力腐蝕裂紋的影響。

綜上所述,在采取一般維護措施的條件下,凝汽器應當不出現嚴重的泄漏和腐蝕。目前國外機組普遍要求與汽輪機主機同壽命,所以凝汽器換熱管的選材應針對要求管材的壽命年限、價格、運行維護和熱力計算進行綜合技術論證,設計者再根據所提供的水質資料、供水方式、設計水溫,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。管子選取的中心問題是其材質的耐腐蝕性能,而冷卻水質則是選材的基本依據。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

在正常運行中,不銹鋼管實際上是不受蒸汽側腐蝕———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,但在二次供水系統中也不宜用于礦物質含量較高的補給水和缺水地區由于水處理發生故障使冷卻水處于明顯的蒸濃狀態。不銹鋼管在凝汽器中不會出現電化學腐蝕,但會有氯離子的點蝕,實際上TP304不銹鋼在3 400ppm氯化物下運行也是沒有問題的,在pH>8時,溶解氧被維持和使結垢成為最少的話則點蝕也將不是問題,而含鉬的TP316不銹鋼則允許有較高的氯化物水平。

雖然不銹鋼管的導熱系數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增加的費用與好的耐磨蝕性相比結果還是有利的;允許管內水速的增加,又會使換熱面積增加的不大。另外,雖然污垢系數對不銹鋼管產生不利影響,但由于凝汽器的性能隨時間的推移而衰退的結果,不銹鋼在相當長的時間內使用要比銅合金更好。對停機狀態的點蝕、應力腐蝕裂紋、氧化物的耐蝕性能較差而不宜用于海水或咸淡交替水中,所以它優選乃適用于淡水。

在凝汽器中不銹鋼管的顯著優點是耐汽側挾帶水滴流動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蝕和縫隙腐蝕。不銹鋼換熱管勿需人造保護膜措施,亦不會出現汽側的氨腐蝕和水側的侵蝕腐蝕,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℃以上時才易受氯化物引起的應力腐蝕裂紋,但這遠高于凝汽器的正常運行溫度。

2低壓給水加熱器(簡稱低加)

在汽輪機熱力系統中的給水加熱器由于優良的主給水水質來自凝汽器之后,并經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全部運行工況下不受任何影響。只是個別的在蒸汽冷卻段內由于蒸汽的高速流動引起有侵蝕的發生;主給水pH值下降到低于8.5以下時,碳鋼管可能會迅速的遭受腐蝕,以及停機敞口時又會遭到強烈的氧化或停機時間過長內部未做防氧化保護也如此。銅合金受到低加內的氨、硫和氧的影響會發生應力腐蝕裂紋,當臥式并具有內置式疏水冷卻段的低加停機放水不當時會受到浸蝕的困擾。

2.1工作條件的要求

由于低加位于凝結水泵之后,除氧器之前,所以無論是亞臨界還是超臨界機組,低加的水側壓力通常在0.4MPa以下,汽側溫度通常在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。為達到更好的密封,有的廠家在管板孔內開槽,但各制造廠無疑一律采用先脹后焊工藝。國內所有300/600MW機組的低加皆為TP304不銹鋼管。雖然我國目前在亞臨界機組中采用錫黃銅管,但在靠近除氧器的低加由于汽側溫度大于232℃已不符合HEI標準的要求,但對超臨界機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,在給水中不加化學藥品來控制含氧量和pH值。在空冷機組中由于采用翅片鋁管散熱器,出于防止電化學腐蝕的發生,則必須采用鐵基合金(碳鋼或不銹鋼)。

2.2運行中的要求

迄今為止,沒有一種換熱管材質在冶金、機械和耐蝕性能等方面處于全部理想狀態。從純學術觀點分析所有合金都可能因很多現代電廠條件下所存在的某種腐蝕、機械原因而損壞,即使不銹鋼總的優勢高于銅基合金,但氯離子危害所致意外的應力腐蝕裂紋則不可忽視。同樣在結構設計中也必須考慮良好的抽空氣系統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力,也必須在彎后當班進行除應力熱處理。

3結論

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