沿海電廠凝汽器用材的發(fā)展及其展望

顧祥云，謝富友（大唐黃島發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 青島 266599）

沿海電廠凝汽器用材的發(fā)展及其展望

顧祥云，謝富友
（大唐黃島發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 青島 266599）

冷凝器作為輔助發(fā)電機(jī)組的重要冷卻設(shè)備。它的好壞直接關(guān)系到整個(gè)發(fā)電廠的穩(wěn)定運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)電廠選用銅管（海軍銅管、含砷黃銅管）或鈦管。對(duì)銅管而言，易發(fā)生點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕導(dǎo)致凝汽器泄漏；同時(shí)，由于銅材價(jià)格飛漲，更換凝汽器的全部銅管對(duì)投資總額和運(yùn)行維修費(fèi)用的影響較大。鈦管的使用能極大的改善冷卻管抗局部腐蝕能力，減緩由凝汽器泄漏引發(fā)的一系列問題。然而，鈦管的造價(jià)過于昂貴，尋找一種能夠降低成本且性能優(yōu)良的材料勢(shì)在必行。超級(jí)鐵素體作為一種較新的應(yīng)用材料，具有高強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、耐腐蝕特點(diǎn)，符合濱海電廠的工作要求。

電廠；凝汽器；發(fā)展

0　引言

冷凝器是濱海電廠冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)，也是電力產(chǎn)業(yè)、航天產(chǎn)業(yè)、工業(yè)制冷等諸多產(chǎn)業(yè)中不可或缺的重要裝置，對(duì)于促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要作用。然而，隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模的不斷擴(kuò)大，相關(guān)領(lǐng)域?qū)淠髯陨淼馁|(zhì)量及工藝水平也提出了更為嚴(yán)格的要求。對(duì)金屬腐蝕進(jìn)行分析可知，其是金屬在與周邊介質(zhì)的化學(xué)或電話學(xué)作用下發(fā)生的損耗［1］。作為冷凝器常見的故障問題，腐蝕問題的產(chǎn)生不僅會(huì)影響冷凝器的性能，而且也會(huì)使冷凝器難以形成對(duì)相關(guān)產(chǎn)到貨領(lǐng)域的支持。而隨著近年來，銅、鎳和鈦等金屬資源的日益短缺，導(dǎo)致冷凝管的價(jià)格長(zhǎng)期處于居高不低的狀態(tài)，故在此背景下，加強(qiáng)對(duì)耐腐蝕和具有較強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性的冷凝管的制作和生產(chǎn)已成為當(dāng)前冷凝管制作廠商需要著重解決的關(guān)鍵問題［2］。

1　冷凝器的發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀

對(duì)冷凝器進(jìn)行分析可知，其核心構(gòu)件為冷凝管，故冷凝管的材料直接決定了冷凝器的壽命［3］。冷凝器的發(fā)展主要經(jīng)歷了忽視棺材選擇、重視管材選擇和新型耐腐蝕管材研發(fā)三個(gè)階段，具體說明如下：

在第一階段，冷凝器的管材時(shí)常處于更換的狀態(tài)，冷凝器平均壽命區(qū)間為7-9年。在上世紀(jì)五十年代，冷凝器的小容量機(jī)組是其發(fā)展的重要趨勢(shì)，故其功率高于125MW的機(jī)組并不常見，但當(dāng)冷凝器處于電廠的不同工作環(huán)境后，便極容易發(fā)生腐蝕［4］。例如，以白銅管為主要管材的冷凝管在投入具有較高含沙量的海水中運(yùn)行一段時(shí)間后，便容易發(fā)生大規(guī)模泄露；而在含有懸浮物的淡水中運(yùn)行時(shí)，以鋁黃銅管為主要管材的冷凝管也被嚴(yán)重腐蝕。雖然在70年代起我國(guó)將冷凝管功率規(guī)模提升至300MW，且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)冷凝管中固態(tài)物與氯離子的清除，但管材材料本身的易腐蝕問題仍然未得到根本解決。

在第二階段，大型電力機(jī)組的應(yīng)用使得各個(gè)電廠進(jìn)一步增加了對(duì)冷凝管選擇的合理性，各電廠大都能夠根據(jù)季節(jié)、工況等實(shí)際情況選擇對(duì)應(yīng)的冷凝管［5］。在這一過程中，以鈦管與白銅管為主要材料的冷凝管得到了廣泛應(yīng)用，加之對(duì)管材防護(hù)技術(shù)，如犧牲陽(yáng)極發(fā)、硫酸亞鐵氧化法等技術(shù)開發(fā)的不斷深入，有效提高了冷凝管的防腐性能。然而，隨著電廠規(guī)模的不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)冷凝管，特別是傳統(tǒng)的銅材冷凝管已出現(xiàn)了大量腐蝕區(qū)域，從而增加了事故頻率和次數(shù)［6］。通過對(duì)濱海電廠用戶所反饋的信息進(jìn)行分析可知，在濱海區(qū)域，以銅合金為主要管材的冷凝管腐蝕情況要遠(yuǎn)比淡水區(qū)域嚴(yán)重，這也進(jìn)一步說明的在以海水為冷卻水的介質(zhì)環(huán)境中，銅制冷凝管更容易受到腐蝕。在此情況下，耐海水腐蝕冷凝管管材的研究和選擇工作已迫在眉睫。

在第三階段，即九十年代后，隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展，傳統(tǒng)的小電站機(jī)組已難以滿足社會(huì)電力領(lǐng)域生產(chǎn)、生活的需求，而核電站的產(chǎn)生和發(fā)展又進(jìn)一步對(duì)冷凝管的性能提出了更高的要求，此時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)，相較于銅材料，鈦合金具有更好的強(qiáng)度和良好的抗腐蝕性，且具有良好的換熱效果，故被廣泛用于包括核電站在內(nèi)的各個(gè)發(fā)電站與大中型電廠的冷凝管中。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，九十年代中期，用于冷凝管制作的鈦合金規(guī)模已達(dá)到了1320t，且規(guī)模仍然呈現(xiàn)出逐年擴(kuò)大的變化趨勢(shì)［7-8］。20世紀(jì)以后，隨著我國(guó)海濱電廠數(shù)量和規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，焊接鈦管在冷凝管管材中的占有率已達(dá)到了90%，但由于所用鈦管大都依賴進(jìn)口，故具有較為昂貴的價(jià)格，加之鈦管本身的耐磨性與抗沖刷性的不足，使得成本與性能成為了制約鈦制冷凝器應(yīng)用的主要瓶頸［9］。近年來，超級(jí)鐵素體不銹鋼管因其自身的抗腐蝕、抗沖刷和成本低等特點(diǎn)，成為了國(guó)內(nèi)外電廠，特別是濱海電廠冷凝器管材的主要選擇［10］。

2　電廠冷凝管的類別劃分

2.1銅制冷凝管

通常情況下，在選擇冷凝器管材時(shí)，各濱海電廠大都會(huì)對(duì)冷卻水的水質(zhì)進(jìn)行分析，通過計(jì)算水質(zhì)的PH、CL和鹽含量等，進(jìn)而選擇與地區(qū)水質(zhì)相符的冷凝器管材。對(duì)銅合金管材進(jìn)行分析可知，其作為長(zhǎng)期以來冷凝器應(yīng)用的主要管材，不僅具有成本低和熱傳導(dǎo)性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且還具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，也正是因其這一特點(diǎn)，才使其被廣泛應(yīng)用于淡水和海水等諸多冷卻水當(dāng)中，特別是在內(nèi)陸的淡水區(qū)域，基本均以銅合金冷凝管管材為主［11］。就銅管在我國(guó)冷凝器管材中的應(yīng)用而言，其分別經(jīng)歷了錫黃銅管、鋁黃銅管和白銅管的銅管管材發(fā)展歷程，而就現(xiàn)階段而言，被廣泛應(yīng)用于電廠冷凝器中的錫黃銅管則是在第二代冷凝管的基礎(chǔ)上加入了硼這一微量元素，進(jìn)而形成了新一代的含硼錫黃銅管，而硼元素在管材中的應(yīng)用能夠較好地形成對(duì)黃銅脫鋅腐蝕的抑制作用，同時(shí)，也能夠在冷凝管管材表面形成一層保護(hù)膜，即便在冷凝器經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，也并不易產(chǎn)生污垢，從而在提高冷凝管抗腐蝕性的同時(shí)，有效提高了錫黃銅管的導(dǎo)熱效率。以山東華魯電廠為例，其4號(hào)冷凝器應(yīng)用的便是此種含有硼元素的管材，自此種管材投入使用后，基本未發(fā)生嚴(yán)重事故。但需要說明的是，隨著電廠規(guī)模的不斷擴(kuò)大和電廠機(jī)組數(shù)量的不斷增加，銅制冷凝管也開始出現(xiàn)了不同程度的腐蝕，其中，尤以無砷黃銅管的脫鋅腐蝕以及鋁黃銅管的沖擊腐蝕作為嚴(yán)重。通過對(duì)濱海電廠用戶的反饋信息進(jìn)行分析可知，即便是在不同的電廠中，因銅制冷凝管腐蝕泄漏而導(dǎo)致的電力事故也層出不窮。然而，考慮到鈦制冷凝管與新型冷凝管的成本問題，銅制冷凝管管材并未完全退出冷凝器市場(chǎng)，但其性能卻已難以繼續(xù)滿足電廠冷凝器的需求。

2.2鈦制冷凝管

鈦制冷凝管是濱海電廠應(yīng)用的最為廣泛的冷凝管，由于鈦合金具有較強(qiáng)的抗沖刷性與耐腐蝕性，密度較低且屈服強(qiáng)度較高，故其具備良好良好的力學(xué)及生物兼容性，對(duì)于濱海電廠的環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。因此，以鈦合金為主要材料的冷凝管兼具鈦合金本身的耐腐蝕性與抗熱性。從我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)冷凝器管材應(yīng)用的實(shí)際情況來看，鈦制冷凝管仍然占據(jù)著較大的市場(chǎng)比例，且鈦制冷凝管的市場(chǎng)口碑也較好，受到各大電廠和用戶的廣泛好評(píng)。由于鈦制冷凝管的出色性能，目前為止，其已經(jīng)基本取代了傳統(tǒng)銅管在電廠冷凝器中的位置，但需要說明的是，雖然其并不會(huì)像銅制冷凝管一樣在表面產(chǎn)生有害物質(zhì)，但卻容易附著污泥與微生物，當(dāng)此類雜質(zhì)積累到一定程度時(shí)，也勢(shì)必會(huì)對(duì)其傳熱效果產(chǎn)生不良影響。因此，從投入層面來看，此類管材的應(yīng)用還應(yīng)投入額外的人力、物力來形成對(duì)鈦制冷凝管管材表面沉積物清理工作的良好支持；而從性能層面來看，鈦制冷凝管表面所形成的致密鈍化膜雖然能夠在強(qiáng)酸與強(qiáng)堿介質(zhì)中具有良好的抗腐蝕性，但由于鈦元素本身具有較強(qiáng)的親氫性，故而在應(yīng)用過程中極容易發(fā)生析氫現(xiàn)象［12］。除此之外，對(duì)于舊的發(fā)電機(jī)組而言，因其管板為銅合金，而鈦材料具有較高的腐蝕電位，故在管板連接處，經(jīng)常會(huì)發(fā)生電偶腐蝕的情況，這也是鈦制冷凝管的應(yīng)用過程中需要著重考慮的關(guān)鍵問題。

2.3不銹鋼冷凝管

對(duì)不銹鋼冷凝管進(jìn)行分析可知，其是近年來發(fā)展起來且被廣泛應(yīng)用的一類新型冷凝管，其中所含的合金直接決定了冷凝管自身的耐腐蝕性能。通常情況下，不銹鋼冷凝管的管材大都以鉻材料為主，此外，還可根據(jù)實(shí)際需求向管材中添加鋁、銅、氮和鎳等相關(guān)元素。以金相組織與合金元素為依據(jù)對(duì)不銹鋼冷凝管材進(jìn)行分析可知，不銹鋼冷凝管主要包括了鐵素體、奧氏體以及馬氏體和沉淀硬化及雙相冷凝管，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性、抗拉型與抗沖刷性，此外，不銹鋼冷凝管還具有易焊接、易加工和屈服強(qiáng)度高等特點(diǎn)，故除了被應(yīng)用于濱海電廠冷凝器外，相應(yīng)管材還被廣泛應(yīng)用于航空、航天和船舶等諸多領(lǐng)域當(dāng)中［13-14］。值得注意的是，相較于銅管，不銹鋼的傳熱效率要相對(duì)較低，但若從結(jié)構(gòu)與發(fā)生腐蝕后的傳熱性能來分析，其相關(guān)性能要遠(yuǎn)高于銅制冷凝管。

3　新型的凝汽器材料

3.1超級(jí)鐵素體不銹鋼的腐蝕性能

隨著材料研究的發(fā)展，美國(guó)等西方管家研制的超級(jí)鐵素體不銹鋼，以其卓爾不群的抗腐蝕性能和低廉的價(jià)格，極其適合作為凝汽器換熱管使用。超級(jí)鐵素體不銹鋼的機(jī)械性能優(yōu)秀，一般含有高Cr和Mo，同時(shí)有強(qiáng)碳化物形成元素Ti、Nb可以穩(wěn)定組織，且超級(jí)鐵素體不銹鋼將C、N間隙原子含量控制在很低的水平，從來使其耐蝕性能，加工性能以及焊接性能都十分優(yōu)秀。尤其是對(duì)氯離子的抗蝕性，使得超級(jí)鐵素體不銹鋼特別適合在沿海環(huán)境使用，比如使用海水冷卻介質(zhì)的凝汽器換熱管。超級(jí)鐵素體的機(jī)械性能主要表現(xiàn)在硬度，S44660的硬度甚至比Ti還要高，耐磨性優(yōu)秀；而且，S44660的強(qiáng)度也優(yōu)于Ti和其他金屬；與Ti相比，S44660的抗振性更好，抗振性主要取決于彈性模量；超鐵的塑形比Ti管好，傳熱效果不及銅管。超鐵（例如S44660）的整體抗腐蝕性能優(yōu)于鈦管，明顯好于常規(guī)不銹鋼管和銅管。超鐵本來就是為了增大抗氯離子局部腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕破裂而研制，尤其適合用于濱海電站等海水環(huán)境中。

3.2超級(jí)鐵素體不銹鋼的經(jīng)濟(jì)性能

超級(jí)鐵素體不銹鋼本質(zhì)也是鐵素體，不含有Ni元素，主要成分是Cr和Fe，因此成本比含Ni不銹鋼大為降低，來源廣泛，供貨方便。對(duì)于電站，同等功率的凝汽器設(shè)備，采用超級(jí)鐵素體熱換管可以比Ti管節(jié)省三分之一的花費(fèi)，它們機(jī)組安裝的成本與周期比較見表1。同時(shí)，超級(jí)鐵素體由于其機(jī)械性能、耐蝕性能優(yōu)秀，在整個(gè)服役期間，故障率低，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)，因此，成本進(jìn)一步降低。

表1　凝汽器使用S44660與鈦管的經(jīng)濟(jì)性比較

對(duì)于大多數(shù)電站，如果想要在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，對(duì)凝汽器熱換管的進(jìn)行改造，更換為Ti管，會(huì)要求對(duì)凝汽器水室等進(jìn)行大面積的改造，重新布局，費(fèi)用高昂，工程量大。而更換為超級(jí)鐵素體只需要更換管子，管板和隔板等都可以繼續(xù)使用，改造周期更短，費(fèi)用更低。因此，電站舊設(shè)備改造，超級(jí)鐵素體不銹鋼無疑是最佳的選擇。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.141