介绍了凝汽器和低压加热器的汽、水侧的腐蚀类型和机理,从亚临界、超临界、空冷和核电机组运行参数的要求出发,给出在某一特定情况下换热管采用不锈钢材质的原由和发展方向;乃至冷却水的现状———高度工业化带来的严重污染及对给水水质的苛刻要求,尤其是超临界机组防止铜的析出、空冷机组与铝制散热器的电化学腐蚀等诸方面详细论述了换热管采用不锈钢材质更是势在必行。

为满足对电力日益增长的需求,更多的和经济性更好的大型火力、核电、空冷和超临界机组已广为被列入电力事业发展规划的同时,新技术、新材料正在逐步突破和实施,更高的可靠性、安全性和低的停机率则是对汽轮机组的极为迫切的要求。做为关键设备之一的凝汽器和低压加热器在确保机组安全、高效方面是至关重要的;为此,在其性能和结构上更为安全可靠和满意的性能指标要求而不容忽视。在对性能和造价的优化综合经济技术比较后发现,在凝汽器中,由于较高的抗腐蚀性、较显著的平均清洁系数等优越性能和在低压加热器中抗高温腐蚀性能使不锈钢管显示出了更大优势,现今在国外已广为采用。不锈钢管凝汽器在国内几年前还无一采用;而低压加热器也只局限于300、600MW机组国外规范书的硬性规定,随着国内中等机组的多年运行才迫于用户要求开始在200MW的管束改造中实现。

1凝汽器

1.1凝汽器的汽侧腐蚀

发生在汽侧的腐蚀不但与排汽缸的高速排汽流和凝汽器的负荷有关,还与换热管材质及凝汽器内某些结构有关,更与附加流体流动的正确排入相关。汽侧腐蚀由于各种原因往往为人们所忽视,当给予正视和解决时,就可以在汽轮机的正常运行中使换热管在汽侧的腐蚀减小到最低或不发生。

换热管的汽侧腐蚀机理有别于水侧腐蚀的机理,只当给予一定的充分重视就可以获得较好的使用效果,通常发生在汽侧的腐蚀如下所述。

1.1.1应力腐蚀裂纹

应力腐蚀裂纹可以发生在水侧,也可以发生在汽侧。金属在特殊腐蚀介质中因拉伸应力加大后缓慢形成裂纹的一种形式。众所周知,所有金属都至少在一种腐蚀介质中容易产生,但并不是在所有腐蚀介质中都会产生应力腐蚀裂纹,且在一种合金中可能引起应力腐蚀裂纹的介质条件未必也在另一种合金中发生。运行表明,只有铜合金发生过损坏才产生,而不锈钢管则不受应力腐蚀裂纹的影响。

另外,对铜合金来说在有溶解氧的含氨介质(空气冷却区)中就容易产生应力腐蚀裂纹,而不锈钢管则不会发生。

1.1.2凝结水腐蚀

凝结水腐蚀即氨腐蚀,与应力腐蚀裂纹介质为同一类型,亦集中在空气冷却区,因氨和氧的浓度特别高所致。氧在凝结水腐蚀中的作用并不亚于氨———来于漏入真空系统中的空气同时也使漏入的CO2在含氨的凝结水中明显地加速铜合金的腐蚀,故防止氨导致产生应力腐蚀裂纹的诸多方法也可用来防止凝结水腐蚀,如在空气冷却区采用BFe30-1-1管材,但最佳还是采用不锈钢管或钛管。

1.1.3冲刷腐蚀

冲刷腐蚀即汽侧腐蚀。当蒸汽挟带水滴进入凝汽器并以高速冲击换热管时就产生了冲刷腐蚀,在重复冲击下导致严重的腐蚀,使换热管外表面变得粗糙,最终会管壁穿孔。尽管在整个过程中腐蚀起的作用不大,可是这种纯机械过程却很重要;它与换热管材质的耐腐蚀性、耐疲劳强度、弹性模量、硬度和极限强度均有关,这时不锈钢管和钛管就优于铜合金。

1.1.4防止汽侧腐蚀的措施

通常投入正常运行后,更准确地确定汽侧发生腐蚀的位置及严重程度颇为困难,这时只能考虑以预防措施来减小腐蚀发生的可能性并减轻到最低程度。

在结构上为防止高速排汽流挟带水滴造成冲击腐蚀,取管束顶部迎风面三排之内为厚壁管,这也为顶排避免了高速排汽流冲击而引发的激振。另外可在喉部设置导流板来重组高速排汽流分布,同时,对附加流体的排放引起的冲击浸蚀则是通过合理布置的挡板或分流集管使高速汽流或疏水(汽化)不直接射在换热管上,使剩余能量减到可以接受的程度。

近年来国外和国内的个别电厂已要求顶部三排和空冷区采用不锈钢管,更有电厂由于水质的原因全部采用不锈钢换热管。

1.2凝汽器的水侧腐蚀

对于600MW级以上的火力、核能电厂,由于凝汽器等辅助设备安全可靠影响会使机组可用率下降约38%左右,而换热管损坏则是可靠性颇差的主要原因之一。为避免冷却水的漏入,应在允许堵管率范围内堵塞或更换换热管。尽管它在非停机期间内完成,但有时往往不可能在短时间修复。由于换热管的可靠性差造成的非计划停机和负荷限制会造成大的经济损失,为正确估价损失的经济价值,应将这些换热管损坏的直接费用加在凝结水被冷却水污染造成的巨大间接费用上。非常明显,漏入的污物在整个电厂汽水循环系统中所发现的众多腐蚀损坏中占有绝大部份。众所周知,换热管水侧腐蚀损坏的绝大多数原因皆是在一定冷却水质条件下,换热管选材不当所致。

1.2.1隙蚀和点蚀

隙蚀与点蚀机理相似外,在凝汽器换热管中现象也相同。概念上的严格区别:点蚀仅可用来描述完全暴露的金属表面上保护(钝化)膜局部损坏而引起的腐蚀;隙蚀则是金属表面(或紧密接近)在不与周围介质完全接触区域产生的局部腐蚀。不与周围介质完全接触的原因是由于金属与其它材质表面非常接近之故。譬如:隙蚀可能产生在冷却管表面的疏松垢层、腐蚀产物、泥渣碎屑或低级壳类的下面。另外,当隙蚀面积小时,产生的局部腐蚀就可能类似点蚀。

氯化物在点蚀和隙蚀中起关键作用,它的存在促使点蚀的发生,高度游离的氯离子的存在会大大促进点蚀和隙蚀的发展,虽然点蚀和隙蚀发生在整个凝汽器内又是相当均匀的,但当泥渣或沉积物聚集在换热管内表面的底部并造成隙蚀时也就会在该处发生点蚀。

在各种铜基合金中都观察到隙蚀和点蚀,而不锈钢管在淡水中却运行良好。不久前研制成功的一系列并广为用于海水和微咸水的高耐蚀不锈钢中都含有大量的钼,如所周知,它是使不锈钢具有耐隙蚀和点蚀的添加剂;有的奥氏体不锈钢含钼量为6%,且含铬、镍的含量也很高。但具有同等耐蚀性的新型铁素体不锈钢需要的钼含量较低;如有的不锈钢含钼量只为3%～4%,而新型铁素体不锈钢在凝汽器中的运行证明效果是令人满意的。据知产生腐蚀损坏的事实表明,含钼量高的不锈钢未必总能满足运行期望要求。

1.2.2冲击腐蚀

换热管的冲击腐蚀(磨蚀)只限于铜合金,它是发生在水侧管壁的局部腐蚀,能引起氧化膜的机械或电化学破坏,并具有类似点蚀的特点,常受到局部流动工况的影响,而不锈钢管则不会发生冲击腐蚀。

1.2.3硫化物腐蚀

冷却水受到硫化物、多硫化合物和硫元素污染时,铜合金会很快受到硫化物腐蚀、冲击腐蚀、点蚀和晶间腐蚀,甚至铜镍合金厚壁管也会很快被腐蚀穿透。

硫化物腐蚀不仅使换热管过早损坏,还使凝汽器冷却水出口水中含铜量增高,造成严重的水污染而为环保所不允许。

铜合金换热管产生硫化物腐蚀最明显的根本原因是冷却水受到污染———如取自范围较小的水源,就可能受到工业或生活排污的某些影响。即使耐硫化物腐蚀最强的铜合金管在污染的冷却水中使用效果也不够好。如已知冷却水中含硫化物(多硫化合物、硫元素)并消除硫化物来源又希望不大时,则必须使用不锈钢管(或钛管)。

1.2.4电化学腐蚀

电化学腐蚀是一种加速的金属腐蚀,由于异类金属在腐蚀性溶液中的电气腐蚀,才得以产生电化学腐蚀。不锈钢换热管在相应的管板材质下就得以避免电化学腐蚀的发生,尤为空冷机组。

1.2.5应力腐蚀裂纹

发生在凝汽器汽侧也可以发生在水侧的应力腐蚀裂纹是一种敏感合金在特殊的腐蚀介质中因拉伸应力加大而缓慢形成的一种形式,而在常规的凝汽器运行中,不锈钢管则不受应力腐蚀裂纹的影响。

综上所述,在采取一般维护措施的条件下,凝汽器应当不出现严重的泄漏和腐蚀。目前国外机组普遍要求与汽轮机主机同寿命,所以凝汽器换热管的选材应针对要求管材的寿命年限、价格、运行维护和热力计算进行综合技术论证,设计者再根据所提供的水质资料、供水方式、设计水温,再考虑采用的水速、清洗状况、凝汽器形式及防腐措施等诸因素后合理地选择换热管的材质。管子选取的中心问题是其材质的耐腐蚀性能,而冷却水质则是选材的基本依据。目前国外趋势是淡水选用不锈钢管,咸淡交替或海水则选用钛管。

1.3不锈钢换热管

在正常运行中,不锈钢管实际上是不受蒸汽侧腐蚀———浸蚀的影响,即耐冲击腐蚀又耐氨腐蚀而常用于含砂量大的直流供水和含氨浓度大的二次供水,但在二次供水系统中也不宜用于矿物质含量较高的补给水和缺水地区由于水处理发生故障使冷却水处于明显的蒸浓状态。不锈钢管在凝汽器中不会出现电化学腐蚀,但会有氯离子的点蚀,实际上TP304不锈钢在3 400ppm氯化物下运行也是没有问题的,在pH>8时,溶解氧被维持和使结垢成为最少的话则点蚀也将不是问题,而含钼的TP316不锈钢则允许有较高的氯化物水平。

虽然不锈钢管的导热系数低于铜合金管而使换热面积增大,但由于采用薄壁(0.5mm～0.7mm)管,使耗材重量会有一定的抵消,以及固定方式的变化相应增加的费用与好的耐磨蚀性相比结果还是有利的;允许管内水速的增加,又会使换热面积增加的不大。另外,虽然污垢系数对不锈钢管产生不利影响,但由于凝汽器的性能随时间的推移而衰退的结果,不锈钢在相当长的时间内使用要比铜合金更好。对停机状态的点蚀、应力腐蚀裂纹、氧化物的耐蚀性能较差而不宜用于海水或咸淡交替水中,所以它优选乃适用于淡水。

在凝汽器中不锈钢管的显著优点是耐汽侧挟带水滴流动中的冲击腐蚀和冷却水中的硫化氢腐蚀,但从良好的可焊性考虑只有采用奥氏体不锈钢为更好,尤为高含钼的不锈钢更耐点蚀和缝隙腐蚀。不锈钢换热管勿需人造保护膜措施,亦不会出现汽侧的氨腐蚀和水侧的侵蚀腐蚀,更为重要的是它不会造成核电站二回路的铜污染。不锈钢管只有在80℃以上时才易受氯化物引起的应力腐蚀裂纹,但这远高于凝汽器的正常运行温度。

2低压给水加热器(简称低加)

在汽轮机热力系统中的给水加热器由于优良的主给水水质来自凝汽器之后,并经由除氧器而使得各种牌号的铜、铜合金管及碳钢、不锈钢管几乎在汽轮机全部运行工况下不受任何影响。只是个别的在蒸汽冷却段内由于蒸汽的高速流动引起有侵蚀的发生;主给水pH值下降到低于8.5以下时,碳钢管可能会迅速的遭受腐蚀,以及停机敞口时又会遭到强烈的氧化或停机时间过长内部未做防氧化保护也如此。铜合金受到低加内的氨、硫和氧的影响会发生应力腐蚀裂纹,当卧式并具有内置式疏水冷却段的低加停机放水不当时会受到浸蚀的困扰。

2.1工作条件的要求

由于低加位于凝结水泵之后,除氧器之前,所以无论是亚临界还是超临界机组,低加的水侧压力通常在0.4MPa以下,汽侧温度通常在360℃以下,由于锅炉的类型和汽、水的腐蚀情况而决定了换热管材质的特性和选择。薄壁不锈钢管(0.9mm)与铜合金相比主要是胀管困难;不锈钢的加工硬化特性所致,且重胀性能差。为达到更好的密封,有的厂家在管板孔内开槽,但各制造厂无疑一律采用先胀后焊工艺。国内所有300/600MW机组的低加皆为TP304不锈钢管。虽然我国目前在亚临界机组中采用锡黄铜管,但在靠近除氧器的低加由于汽侧温度大于232℃已不符合HEI标准的要求,但对超临界机组而言采用不锈钢管则是肯定的,对压水堆或沸水堆核电机组则是必要的,尤其是沸水堆没有水处理,在给水中不加化学药品来控制含氧量和pH值。在空冷机组中由于采用翅片铝管散热器,出于防止电化学腐蚀的发生,则必须采用铁基合金(碳钢或不锈钢)。

2.2运行中的要求

迄今为止,没有一种换热管材质在冶金、机械和耐蚀性能等方面处于全部理想状态。从纯学术观点分析所有合金都可能因很多现代电厂条件下所存在的某种腐蚀、机械原因而损坏,即使不锈钢总的优势高于铜基合金,但氯离子危害所致意外的应力腐蚀裂纹则不可忽视。同样在结构设计中也必须考虑良好的抽空气系统以防止有害气体的堆积。另外低加U形换热管的弯制所致的冷硬变形应力,也必须在弯后当班进行除应力热处理。

3结论

凝汽器、低加采用焊接薄壁不锈钢管在国外亦趋普遍,国内正在起步。凝汽器———由于冷却水污染、水资源的乏匮和蒸浓现象的突出,对常规火电厂尤为重要。低加———国内大机组早已采用,中等机组仍在徘徊之中,近年来200MW与除氧器相邻的低加由于汽侧温度偏高正纳入换管改造之列,使用效果优于铜合金管。总之不锈钢管使用可达4MPa、400℃,管内水速可达3.2m/s;由于HEI新版的管材修正系数的提高使得总体传热系数加大,结果使换热面积有限加大而更有利于不锈钢管的广为采用。