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凝汽器采用铜管与不锈钢管的对比分析


【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 摘要】 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; 【关键词】 对比中图分类号:TG113.2 中图分类号: 中图分类号 文献标识码: 文章编号: 文献标识码:A 文章编号:1002—1663(2001)01—0022— — — —

04Abstract: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 HSn70—1 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。 几种常见不锈钢管的机械物理性能 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 AL—6XN 和铁素

体不锈钢管 AL29—4C[6.7]。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。 1 和表 2 列出了几种常用不锈钢管的主要化 表 学成分及物理机械性能。 单位: 表 1 不锈钢管主要化学成分 单位:% 型号 304L 304LN 316L 316LN 317L 317LXN AL-6XN AL29-4 C 2205 C 0.080 0.035 0.035 0.035 0.035 0.030 0.030 0.030 0.030 Cr 18~20 18~20 16~18 16~18 18~20 17~20 20~22 28~30 21~23 4.5~6.5 Ni 811 8~13 10~15 10~15 11~15 13.5~17.5 23.5~25 2~3 2~3 3~4 4~5 6~7 3.6~4.2 2.5~3.5 0.08~0.20 Mo N 0.10~0.16 0.10~0.16 0.10~0.20 0.18~0.25

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 (g/cm )
3



强 性 模 量 (Gpa)

导 热 系 数 (w/(m. ° C ))

膨 胀 系 数(10-6.? C-1)

515 515 485 515 515 550 690 515 620

205 205 170 205 205 240 310 415 450

35 35 35 35 35 35 30 18 25

7.94

193

16.3

16.6

8.0

200

15.8

16.5

8.0 8.0 8.00 7.8 7.88

200 200 186 200 190

14.4 14.4 13.7 17 19

16.5 16.5 15.3 9.4 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 C1—1 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 的耐蚀性能 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(AL29—4C,AL—6XN 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 1×10-3mg/L,为 2×10-2mg/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 2×10-3,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,AL—6XN 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(AL29—4C)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 不锈钢管的传热性能虽然 不锈钢管的导热系数仅为 B30—1—1 的 55%和 HSn70—1A 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 R.A.McAllister 等人的模拟试验表明, 304L 海军黄铜管侧的 91.6%, 个月后上升至 96.1%[3]。 3 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 管子规格(mm) 清导热系数(w/(m.°C )) 清洁度系数 真空值改变(Pa) HSn70-1A φ25×10 110.7 0.85 基准 0 304L φ25×0.71 16.3 0.85 -250 304L φ25×0.71 16.3 0.90 +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 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 HSnT0—1A 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 0-1A 管子 壁厚(mm) 相对 价格 1.00 0 1.00 6 2.5 7 HSn7 0-1-1 1.0 1 1.7 11 B3 0-1-1 0.7 71 1. 23 B1 04L 0. 71 1. 45 3 16L 0. 71 1. 2.91 3.39 48 3 17L 0. 3 9-4C 0.71 AL2 6XN 0.71 60 2. 0. ALTi

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 B10—1—1 白铜管,空抽区用 B30 —1—1 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 Copper—10nickel 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 Copper—10nickel 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, 又无铜离子进入给水, 所以可大大提高给水晶质, 由此带来的经济效益难以估量。 在调查中发现,不少海滨电厂使用钛管,但冷却用水“海水”的 C-1 浓度远低于真正的海水 中的浓度,有的电厂用城市污水作为冷却水。这些地方用 317L 型不锈钢管代替钛管都具有 很大的实用性和经济性。5 结论 结论通过上述分析我们认为,不锈钢管具有良好的机械性能,

耐蚀性能和经济性能, 不锈钢管凝汽器总的传热性能并不差, 在我国凝汽器上应用前景是十 分诱人的,潜力很大。当然不论是不锈钢管还是钛管都不是万无一失的。不锈钢管种类多, 性能和价格相差较大, 如能正确选材, 安装, 运行, 就会充分发挥其技术和经济方面的优势。


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