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不锈钢管在凝汽器上的应用

作者:admin 来源: 日期:2020/12/27 23:36:47 人气:5

为应对电厂循环水质日益恶化的状况,根据采用不锈钢管作为凝汽器冷却管的经验,从物理特性、化学特性等多方面,分析、说明不锈钢管因其卓越的耐蚀性、耐冲击性、较好的传热性能以及良好的经济性和可靠性,在凝汽器上具有广阔的应用前景。

凝汽器是汽轮发电机组的重要辅助设备之一,凝汽器运行的好坏直接对机组产生影响,而其主要传热组件——冷却管是凝汽器最重要的部分,冷却管的选择对凝汽器性能影响很大,是设计凝汽器的关键,对整个电厂的安全运行有着极其重要的意义。近年来由于环境的破坏,冷却水质不断恶化,循环水中的悬浮物增多,氯离子、硫离子含量增大,对凝汽器冷却管的要求也越来越高。本文基于近年来采用不锈钢管作为凝汽器冷却管的实际运行经验,从多方面探讨了不锈钢管应用在凝汽器上的可行性及应注意的问题,籍此抛砖引玉,以完善不锈钢管凝汽器的使用。

1不锈钢管凝汽器的分析

1.1选材

凝汽器冷却管的选材原则是:从管材的耐蚀性、使用年限、价格及维护费用等方面进行全面的技术和经济比较,在采用一般正确维护措施的条件下,管材不出现严重的腐蚀和泄漏,使用寿命达到20年以上。

目前随着冶金制造业的发展,国内外的不锈钢管均可以用薄钢带卷制、焊接、滚压加工成型,因此可以根据电厂的实际需要生产各种管径、壁厚、长度的不锈钢管。

在大多数使用淡水的地区,304型不锈钢管表现出了优异的总体性能,而且还在被工业废料等污染了的冷却水中表现出较强的抗腐蚀性能;

316型不锈钢管的抗腐蚀性能则更强,通常用在容易形成点状腐蚀的半咸水环境中;317型、AL-6X型不锈钢管的抗腐蚀性能很强,可以在咸水或海水的环境中使用。由此可见,不锈钢管完全可以满足不同冷却水质工况的需要。

1.2物理性能

1)工艺特性

由于不锈钢管都是用表面光洁的不锈钢带卷焊而成,并且水速增高,可以有效防止管子内表面堆积泥沙等杂质并结垢,从而不易产生点蚀。另外不锈钢管具有良好的胀接工艺和很好的可焊性,管子与管板的连接可由胀接改为胀接加密封焊,从而保证管子与管板的连接处不会产生泄漏,减少管子的补胀和更换。根据电厂的实际运行经验,广泛采用304316型不锈钢管后,在适当水质中,一般使用寿命大于20年以上不出现任何问题。

2)抗振特性

引起凝汽器冷却管振动的原因很多,汽轮机高速蒸汽的冲击是产生振动的主要原因,凝汽器管束排列的好坏、管子的支撑和跨度、管子与隔板孔之间的间隙等都会引发管子产生振动。管子材料的弹性模量和管子的壁厚决定了凝汽器冷却管的刚度和管束对蒸汽激振的敏感性,而不锈钢管的抗拉强度、弹性模量、惯性矩、振动阻尼值均大于相同外径的铜管,其低厚度管壁通过高弹性模量得到良好补偿。一般采用不锈钢管后经过计算,支撑板的间距可比相应的铜管支撑板间距要大一些,即不锈钢管的抗振特性在同等条件下相对要好一些。

(3)凝汽器汽侧冲击腐蚀

由汽轮机排出的高速蒸汽湿度较大,进入凝汽器后对凝汽器迎汽流的管束区产生强烈的冲刷腐蚀。采用不锈钢管凝汽器后,由于不锈钢管的硬度高、抗腐蚀性能强,可以很好地防止高速湿蒸汽和水滴冲击,有效避免迎汽流的管束区发生冲蚀。

4)凝汽器水侧管端冲蚀

冷却水在由水室进入管子时水速变化大,在管端会形成剧烈的扰动和涡流,使冷却水及水中所含杂质对管子内表面的冲刷加剧,容易产生脱锌形成点腐蚀,加快损坏管子端部。采用铜管作为凝汽器冷却管时,必须经过硫酸亚铁成膜处理,提高其抗冲蚀能力。而不锈钢管的耐冲刷性能良好,可防止发生此类现象。

5)传热特性

在人们的印象中铜管的导热系数要远远高于不锈钢管,不锈钢管的导热系数大约是白铜管(B30)导热系数的55%,而仅为锡黄铜管(HSn70-1A)导热系数的15%。但对凝汽器而言,管子的导热系数并不能完全反映实际的热交换效果。管子的传热性能除与自身的导热系数有关外,还必须考虑蒸汽水膜、腐蚀物质、沉积污垢、冷却水膜等许多因素。即凝汽器的换热效果与以下几项有关:汽侧水膜热阻、汽侧污垢热阻、管壁热阻、水侧污垢热阻、水侧水膜热阻。其中水膜热阻对凝汽器整体换热效果的影响最大,超过全部热阻的50%,而管壁热阻的影响则要小的多,管壁热阻仅占全部热阻的2%~5%,所以管材导热系数对凝汽器总传热效率的影响很小。

管子的污垢热阻是影响凝汽器换热效果的另一重要因素,氧化膜和腐蚀物质有着很强的热阻,足以抵消不同金属管壁之间导热系数的差异,进一步影响凝汽器的传热性能。由于不锈钢管表面光洁,不易结垢,其表面几乎不附着氧化膜;耐蚀性好,不会受一般表面腐蚀的影响,不形成腐蚀物,因此不锈钢管的传热率不受影响。

而且不锈钢管的壁厚较薄,一般则为0.5~0.7mm,因此采用不锈钢管后管壁热阻对换热效果的影响更小。在使用不锈钢管时管内的水速可提高到2.3m/s,清洁系数可提高到0.9,而且腐蚀产物较少,管壁光洁不易沾污垢,冷却水量加大,冷却水的流动阻力较小,堵管率也较低,所以不锈钢管的传热系数与铜管的传热系数相比差距并不是很大。

1.3化学特性

1)氨腐蚀

通常氨腐蚀容易发生在凝汽器管束中的空气冷却区,因为在空冷区积聚了大量不凝结气体

——氧气、二氧化碳、氨气等。氨气主要来源于加在锅炉给水中以抑制碳钢等组件常规腐蚀的胺和胼的分解,其只要经过极轻微的低温冷却就能很容易地溶解在凝结水中。当汽轮机排汽在凝汽器管束中冷却,凝结水顺冷却管或隔板流淌时,氨气便会溶解到凝结水中,在一定的条件下还可达到较高的浓度。在空冷区蒸汽中氨浓度可达到45~2700mg/L,在凝结水氨浓度中可达到4~258mg/L,还有更高浓度的氨局部浓缩。有充分证据表明,在氧、湿蒸汽和应力存在的情况下,气态的氨或溶于水中的氨会使许多有色金属合金发生应力腐蚀,而氨对铜管应力腐蚀尤为敏感。当蒸汽在铜管表面凝结时,如有氧气存在,当蒸汽中的氨含量达到3mg/L时,铜管的应力腐蚀速度增加;当蒸汽中的氨含量达到5mg/L时,铜管的应力腐蚀速度达到危险程度。但不锈钢管的抗氨腐蚀性能则比较好,不会因氨的存在而遭应力腐蚀。

需要指明的是,如果没有氧的话,氨的存在不会对铜合金造成腐蚀,但在凝汽器中氧不可能被完全排除。而其它一些气体,如二氧化碳等也会对一些凝汽器管材造成腐蚀,但不锈钢管耐腐蚀性能较好,因而对不锈钢管不起作用。

2)点蚀

由于凝汽器的冷却水一般为江河湖水,水中含有较多杂质和污染物,在进入凝汽器冷却管后容易堆积结垢,污垢沉积下来会产生点蚀,腐蚀管子内表面,沉积物下的点蚀是铜合金管最常见的一种腐蚀形式。用不锈钢带卷焊而成的有缝钢管内表面光滑,使得不锈钢上的污染物附着率远远低于有色金属材料,不易积聚污垢,特别是在保持较高水速的情况下,污垢更不易积聚,也就不易发生沉积物下的点蚀。

不锈钢管在淡水中很耐蚀,但对此也不可忽视。影响沉积物下腐蚀的因素很多,主要有氯根离子浓度、水质工况、温度等,不锈钢管对氯根离子的敏感性特强。35℃时304316型不锈钢管在极窄的缝隙中发生点蚀的氯根离子浓度约为1×10-3,氯根离子浓度为2×103时各种缝隙中都会产生点蚀。但有的凝汽器采用304316型不锈钢管,在保持清洁的条件下,当氯根离子浓度高达2×10-3时,也可以长期运行而无点蚀;有的凝汽器氯根离子浓度不高,却由于运行中短时过热,加之其它原因,造成304型不锈钢管发生点蚀。一般情况下,304316型不锈钢管发生点蚀是由于长期停运,沉积物下氯根离子浓度因水蒸发浓缩引起的,但用于海水、被污染严重的河水中时易发生点蚀形成麻点,点蚀严重将导致管子穿孔。此外经试验研究表明,流速低时不锈钢管也会产生点蚀,因此管内流速不应过低。对不锈钢管而言,流速有一个下限,推荐使用流速为1.9m/s2.3m/s

3PH相容性

电厂对于给水造成的铜污染现象一直十分关注,铜污染及由此引发的金属漂移和沉积物在锅炉管道及汽轮机叶片上的附着,会严重削弱电厂的运行效率。

给水污染主要给有色金属材料带来麻烦,而非不锈钢材料。在硫化物污染的作用下,铜合金会迅速腐蚀,而不锈钢材料只是偶尔因氯化物点状污染腐蚀。调查指出,给水污染可能来源于凝汽器或加热器。经对比测试,在以铜管作冷却管的整个加热器给水循环系统中检测出有大量铜存在,而在以316型不锈钢管为冷却管的凝汽器中铜的存在则很少。因此可见不锈钢材料比铜合金材料具有更高的可靠性。

在选用不锈钢管后,将允许锅炉给水的化学性能达到较高的PH值,至少PH>9以上。较高的PH值易于清除锅炉水中的铜离子,还极大地减少蒸汽一—水循环时的氧化作用,这在现代大型机组中得到认可。

1.4经济性

现在国内外不锈钢管多为焊接管,价格相对下降。采用0.5mm厚的304型不锈钢管、不锈钢复合管板,二者胀接加焊接,质量高,重量轻,造价并不比采用铜管高,用普通不锈钢管代替白铜管其经济性能更加优越。以330MW机组为例,冷却水为普通江水,凝汽器主冷区用HSn70-1铜管,空冷区用BFe30-1-1白铜管,管子厚度为1mm,采用壁厚0.5mm304型不锈钢管替换后,考虑不锈钢复合管板等因素,二者价格上相差不大。然而在大多数情况下,不锈钢管的使用寿命却比铜合金管长。当可靠性为90%,堵管率为2%时,304型不锈钢管的使用年限为36年(按每年7500小时计),HSn70-1铜管平均为19.3年。

采用铜管时,要进行必要的电化防蚀处理,并要施行铁离子注入措施,在水侧形成铁质保护膜,以防止腐蚀。改用有较高的耐腐蚀性的不锈钢管则不需电化防蚀处理,并取消铁离子注入措施,机组采用无铜离子系统,使必需的设备相应减少,而无铜离子进入给水,大大提高了安全性,由此带来的经济性更加难以估量。

凝汽器的泄漏会造成较大的直接及间接经济损失,机组停运次数和损坏的修复费用较之换一台新的凝汽器冷却管价格差不多。以不锈钢管替代铜管后,凝汽器冷却管的堵管率和换管次数都大大减少,使机组的利用率提高,经济效率增加。

2不锈钢管凝汽器发展前景

在管子损坏比较严重的情形下,保持凝汽器面积不变、壳体不动,直接将铜管更换为不锈钢管,由于不锈钢管卓越的耐腐蚀性及耐磨损性,对凝汽器改造后有如下优点:

1)提高性能

不锈钢管本身较高的耐腐蚀性及耐磨损性,使其不象铜管那样由于考虑腐蚀问题,通常要施行铁离子注入措施,在水侧形成铁质保护膜,导致为除去水侧沉积污垢设置的胶球清洗装置使用次数受到限制,而且避免形成传热热阻的铁质保护膜和水速的提高,使冷却管内能保持较清洁的状态,并使凝汽器性能(真空度)得以维持,PH值可以提高,减少系统的腐蚀率。特别是在夏季,当水生物多致使污染程度严重时,可根据需要采用特殊的胶球进行清洗,使凝汽器性能得到较大提高。

2)简化周边设备

采用铜管时为防止腐蚀要进行必要的电化防蚀处理,而改用有较高的耐腐蚀性的不锈钢管则不需电化防蚀处理,并取消铁离子注入措施,机组采用无通离子系统,使必需的设备相应减少。

3)降低成本、减少事故采用不锈钢管后,管子与管板胀焊连接,基本不会泄漏,减少了堵管作业和更换管子,机组停运时间缩短。同时系统简便,降低了投资和运营成本。

随着时间的推移,不锈钢管的优越性显露出来,由于在同样冷却面积的情况下,不锈钢管的用料少于铜管,总的价格并不贵,而且抗冲刷、抗腐蚀及机械性能良好,越来越多的电厂开始直接采用不锈钢管凝汽器。今后在使用淡水、微咸水、海水,包括城市污水作为循环水的电厂中,采用不锈钢管凝汽器的将更多,不锈钢管凝汽器的使用前景广阔。

3使用不锈钢管凝汽器应注意的问题

1)选材标准

不锈钢管总体耐腐蚀性能好于铜管,基本上克服了冲蚀、氨蚀、应力腐蚀等铜合金管的主要缺陷。但须注意冷却水质差别很大,不锈钢管的品种、性能、价格相差也较大,选材应按水质工况进行必要的试验,无条件试验可按冷却水中的各种成分含量考虑选材。

2)胀接

不锈钢管的弹性模量比铜管高约一倍,屈服强度高约37%,壁厚较薄,硬化现象严重,这决定了不锈钢管的胀管工艺、胀管参数与铜管不一样。

一般说不锈钢管的胀接用机械式胀管器比较成熟,胀管器的力矩应比铜管大,转速比铜管低。

3)运行

凝汽器长期水低速运行或冷却水长期停留在关管子内,对不锈钢管的耐腐蚀性能不利,因此不锈钢管凝汽器应尽可能在较高流速下运行,停运时保护措施应到位,及时排出管子内滞留的冷却水,并清洗管子进行干燥处理。

虽然不锈钢管凝汽器耐腐蚀性能较好,但也要防止结垢,因为结垢会严重影响传热,胶球等清洗装置应正常投运。采用化学清洁法,可用的最佳酸性物有柠檬酸、甲醛,但应在监督下严格使用。注意:在任何情况下,不锈钢管都不能使用盐酸或防腐盐酸。

4结论

近年来,不锈钢管作为凝汽器冷却管的使用已经从不到1%上升到将近50%,不锈钢管作为凝汽器的冷却管具有卓越的耐蚀性、耐冲击性、较好的传热性、良好的经济性、可靠的运行性,在国内外也有很多成熟的运行经验,可充分适应不同程度的恶劣水质,满足机组运行的要求,因而值得大力推广使用。