凝汽器采用铜管与不锈钢管的对比分析.doc

【摘要】对两种管材的机械性能、耐蚀性能、传热性能、经济性能及在国内外应用现状作了对比分析，认为不锈钢管的技术、经济性能比较好，在我国凝汽器上的应用前景十分诱人，潜力很大，应加快这方面的研究工作。【关键词】凝汽器；铜管；不锈钢管；分析；对比中图分类号：TG113.2文献标识码：A文章编号：10021663(2001)01002204Abstract：Concludes from the comparative analysis of these two tubes in terms of mechanic properties，corrosion resistance，hear conductivity，economic performance and their applications both inside and outside China that stainless steel is better in technical and economic performance and has great potential application in condensers in china and the research on stainlesssteel should be expedited。Key words：comparative analysis；copper tube；stainless steel；condenser七台河电厂2台350MW机组正在基建安装过程中，日前凝汽器安装刚刚就位。凝汽器设备的运行质量对汽水晶质及整个电厂的安全运行影响很大，对投资和运行维护费用的影响也是可观的。凝汽器管的泄漏是引起锅炉爆管和蒸汽品质恶化的主要原因之一，如果发生泄漏而未能采取有效补救措施时，则会造成更加严重的后果2。从运行安全角度看，根据统计资料，200MW以上机组，凝汽器本身故障可使整个机组可用性降低3.8%1。其中尚未包括由于凝汽器微小漏泄造成的汽水品质恶化及汽轮机和锅炉的结垢腐蚀、爆管等故障。从经济性上看，哈尔滨第三发电厂的600MW机组凝汽器铜管(主冷区HSn701黄铜管，空冷区B30白铜管)质量约426t，价值约1760万元，非常昂贵。某电厂200MW机组凝汽器运行才34个月，由于腐蚀严重，造成铜管大面积泄漏，无法维持运行，不得不全部换管，管材费用达200万元。与凝汽器铜管密切相关的“锅炉给水的铜污染”对超临界压力直流锅炉和核电站的安全运行威胁更大，而用不锈钢代替铜合金的“无铜系统”则不存在这个问题”3。因不锈钢管大部分是焊接管，其价格远比无缝铜管低得多，美国是凝汽器使用不锈钢管最多最早的国家，约有60%机组采用。美国早在20世纪50年代初就开始在凝汽器上试用不锈钢管，1958年有1台在役的凝汽器使用的铜合金管寿命很短，而同台机组使用的304L不锈钢管却没有被腐蚀，因此将所有的铜合金管全部换成了304l不锈钢管。至1990年，美国凝汽器用不锈钢管长度超过了24.4万km(大约相当于1300台300MW机组的用量)3.4.5。欧洲使用不锈钢管的机组也不少。我国电厂现在绝大多数仍使用铜管。全国现在约有10家电厂的凝汽器使用不锈钢管，投用时间较长者只有两家，对这方面的研究很少，报道资料也不多，所以对凝汽器工作条件下不锈钢管的性能还认识得不够深刻，很多人对采用不锈钢管在诸如耐蚀性能、传热性能、价格等方面还有一些顾虑，因此有必要对凝汽器采用不锈钢管的技术经济性进行综合分析研究。1几种常见不锈钢管的机械物理性能不锈钢管按成分划分，品种很多，但应用在电力系统的种类却很少。在淡水和微咸水中常用的只有奥氏体不锈钢管304L和316L型，在微咸水和咸水中常用的只有不锈钢管317L型，在海水中常用AL6XN和铁素体不锈钢管AL294C6.7。虽然双相不锈钢管如2205型使用不多，但其强度高，耐蚀性较好，因此常用于凝汽器汽侧冲击严重的区域。表1和表2列出了几种常用不锈钢管的主要化学成分及物理机械性能。 表1不锈钢管主要化学成分 单位：% 型号 C Cr Ni Mo N 304L 0.080 1820 811 - - 304LN 0.035 1820 813 0.100.16 316L 0.035 1618 1015 23 - 316LN 0.035 1618 1015 23 0.100.16 317L 0.035 1820 1115 34 - 317LXN 0.030 1720 13.517.5 45 0.100.20 AL-6XN 0.030 2022 23.525 67 0.180.25 AL29-4C 0.030 2830 3.64.2 2205 0.030 2123 4.56.5 2.53.5 0.080.20 表2 不锈钢管物理机械性能抗拉强度 (Mpa) 屈服强度 (Mpa) 延伸率 (%) 密度 (g/cm3) 强性模量 (Gpa) 导热系数 (w/(m.C ) 膨胀系数(10-6.C-1) 515 205 35 7.94 193 16.3 16.6 515 205 35 485 170 35 8.0 200 15.8 16.5 515 205 35 515 205 35 8.0 200 14.4 16.5 550 240 35 8.0 200 14.4 16.5 690 310 30 8.00 186 13.7 15.3 515 415 18 7.8 200 17 9.4 620 450 25 7.88 190 19 13.7 从表中可以看出，不锈钢管的强度比铜管、钛管高，许用应力是海军黄铜管的1.6倍，是钛管的1.5倍l”。增加不锈钢中Mo含量可以有效地提高不锈钢管在含C11介质中的耐缝隙腐蚀和点蚀的能力5.8。N元素除了可以提高不锈钢的强度外(补偿超低碳带来的强度下降)，还能增加耐点蚀性和相对稳定性5.8。不锈钢管的弹性模量比铜管、钛管高，允许有较大跨距而不振动”，9.10 。其热膨胀系数与铜管相比，更接近于钢，但导热系数比铜合金管低很多，与钛管差不多。不锈钢管与管板的连接方式有胀接和胀接加焊接两种。美国多采用胀接，因其具有良好的胀接工艺和很好的可焊性。在役凝汽器铜管改换不锈钢管完全可以采用胀接。虽然不锈钢管有较高强度，但仍须注意减少汽侧流体对管子的冲击。在国内电厂调查和文献中发现，汽侧流体冲击造成管子机械损伤的现象在各种管材中都有。2不锈钢管的耐蚀性能在淡水中，与不锈钢管连接的碳钢管板的电偶腐蚀问题并不突出。在含盐量较高的水中，可将碳钢管板涂刷柔韧性较好的环氧树脂，再采用阳极保护，便能较彻底地消除管板的电偶腐蚀，还可以消除微小缝隙。超级不锈钢管(AL294C，AL6XN等)在海水中，如不采用防护措施，会使铜管板发生较严重的腐蚀，但比钛管轻得多5。新机组安装凝汽器完全可以采用复合不锈钢管板，胀接加焊接，这样就可以解决管子对管板的电偶腐蚀问题了。不锈钢管凝汽器在正常工况条件下，一般无应力腐蚀及氨蚀，同时不锈钢管耐冲蚀性强，可大幅度提高管内冷却水流速6。沉积物下腐蚀是铜合金管最常见的腐蚀形态之一。普通不锈钢管在淡水中很耐腐蚀，但不能忽视沉积物下腐蚀。影响沉积物下腐蚀的因素很多，主要有CI-1浓度、水质工况、沉积物形成的缝隙大小、温度和不锈钢管品种等等。35时304L、316L不锈钢管在极窄的缝隙中发生腐蚀的Cl”浓度约为110-3mg/L，为210-2mg/L时各种缝隙都会产生腐蚀。有的凝汽器的304L、316L不锈钢管在保持清洁的条件下，CI-1浓度虽然高达210-3，但也能长期运行而不腐蚀。有一台凝汽器CI-1浓度不高，但由于运行中短时过热，然后长期停用，残留水蒸汽蒸发浓缩，加之其它原因，304L不锈钢管发生了腐蚀。普通不锈钢管在海水中易发生腐蚀，317l型不锈钢管对10-1的耐蚀性高于普通不锈钢管，超级不锈钢管(AL29-4C，AL6XN等)，在海水中耐蚀性很好，但必须采用防护措施。超级铁素体不锈钢管(AL294C)在海水中使用时要注意管板材料的匹配，防止发生“不同金属间的缝隙腐蚀(DMC)”，使用阴极保护时，要注意防止氢脆5。3不锈钢管的传热性能虽然不锈钢管的导热系数仅为B3011的55%和HSn701A的15%，但不锈钢管凝汽器总传热效率不一定比铜合金管低，有时甚至还略好一点。这是由于：a.不锈钢管壁较薄，一般为铜合金管的50%-71%；b.管壁热阻只占总热阻的2%-5%；c.与铜合金管相比，不锈钢管腐蚀产物较少，管壁光洁,不易沾污.因此具有较高的清洁系数和较低的流动阻力3不锈钢管堵管率较低；e.新设计的凝汽器可以采用较高的流速11；f.机组的凝汽器铜管换成不锈钢管后，由于阻力变小，冷却水流速相对提高，详见图1。1968年，美国TampaElectric公司在1台凝汽器上使用7934根0.71mm厚的3161不锈钢管，换下了9354根1.25mm厚的白铜管，尽管总数少了1420根(其管板孔闷堵)，但真空度仍等于或好于原始值3。1958年美国DelmarvaPowerandLxSh公司，曾在1台一侧是1.25mm厚的海军黄铜管，而另一侧是0.89mm厚的不锈钢管的凝汽器上进行实验，刚开始时(新管)，不锈钢管侧的总传热系数是海军黄铜管侧的91.6%，3个月后上升至96.1%3。R.A.McAllister等人的模拟试验表明，304L不锈钢管的总传热效率开始时约为海军黄铜管的79%，到120d时约为115%，所以从传热和结垢的观点来看，不锈钢管比铜合金管更好13。用“凝汽器内介质流动与传热特性数值计算程序15,16对N11220型凝汽器内管材进行了计算，采用的部分参数和计算结果见表3。 表3材料清洁度系数对真空度的影响 材料 HSn70-1A 304L 304L 管子规格(mm) 2510 250.71 250.71 清导热系数(w/(m.C ) 110.7 16.3 16.3 清洁度系数 0.85 0.85 0.90 真空值改变(Pa) 基准0 -250 +70 由表3可见，在清洁度相同的条件下，用不锈钢管替换铜管确有可能会使真空度略有下降。但若将不锈钢管比铜管清洁度系数高这一因素考虑在内，情况就可能完全相反.如再考虑堵管率祗和水流速或水量增高等因素，则真空度会更高。4不锈钢管的经济性能现在不锈钢焊接管国内外均有生产，我们咨询了部分经销商，以HSnT01A铜管为基准，凝汽器管单位长度近期相对参考价格见表4(管外径为25mm，价格包括各种税和包装费)。 表4凝汽器管单位长度相对参考价格表 材料 HSn70-1A B30-1-1 B10-1-1 304L 316L 317L AL29-4C AL-6XN Ti 管子壁厚(mm) 1.00 1.00 0.71 0.71 0.71 0.71 0.71 0.71 0.60 相对价格 1.00 2.56 1.77 1.11 1.23 1.45 2.91 3.39 2.48 不锈钢管国际市场价格不一定比国内市场贵，采购时可采用多家招标竞争的方式。文献”9)有1982年美国市场相对价格表，亦可参考。七台河第一发电有限责任公司的凝汽器采用的是进口的0.5mm厚304L不锈钢管，不锈钢复合管板，胀接加焊接，质高，量轻。而造价并不比国产铜管凝汽器高。1989年河北省上安电厂凝汽器采用0.71mm厚316L不锈钢管，和黄铜管相比价格不超过10%15。用普通不锈钢管代替白铜管其经济性能则更加优越。某电厂2台300MW机组，冷却水为普通江水，主冷区用B1011白铜管，空抽区用B3011白铜管，如果用0.71mm厚316L不锈钢管代替，不但可靠性高，还可以节省材料费700多万元。大多数情况下，不锈钢管使用寿命比铜合金管长。图1为304L不锈钢管，海军黄铜管和Copper10nickel管(相当于BIO管)在淡水中的失效率(Failurerate)与可靠性(Relitability)之间的关系图10,18。从图1可以看出，304L不锈钢管明显优于海军黄铜管，海军黄铜管好于Copper10nickel管。当可靠性为90%，堵管率为2%时，304L不锈钢管的服务年限为36a(按7500h/a计)，海军黄铜管的服务年限为19.3a，所以即使不锈钢管造价贵一点，总的经济效益还是好于黄铜管。在空抽区不锈钢管的优越性更加突出。由于不锈钢管耐腐蚀性高，又无铜离子进入给