高壓加熱器的換熱管材質(zhì)改進與實踐

胡亦磊，齊 漣，蔡茜婭

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

截至2016年年底，秦山核電廠已安全穩(wěn)定運行25周年，已接近原設(shè)計壽命30年。通過對電廠安全及關(guān)鍵重要物項和系統(tǒng)進行分析評估后，決定開展秦山核電機組運行許可證延續(xù)項目。通過相關(guān)研究，決定將汽輪發(fā)電機組的功率通過改造增至350 MWe。按照汽輪發(fā)電機組增容改造后的熱平衡計算結(jié)果在機組達到TMCR工況350 MWe，給水溫度達到220 ℃時，對1號高壓加熱器性能進行校核，1號高壓加熱器熱負荷超過原設(shè)備設(shè)計值的13.22%。從工程經(jīng)驗上看，需要更換具有更大換熱能力的高壓加熱器，如不更換，給水溫度會存在一定程度上的降低，影響汽輪機整體熱效率及蒸汽發(fā)生器的相關(guān)參數(shù)，降低了電廠運行的經(jīng)濟性。

在換熱器設(shè)計選型過程中，需要考慮到實際現(xiàn)場存在的各類限制條件：1)設(shè)備接口；2)安裝空間；3)設(shè)備安裝基礎(chǔ)。

本文分別從增大換熱面積和提高換熱能力兩個方面結(jié)合現(xiàn)場實際情況從設(shè)備接口安裝、工藝系統(tǒng)布置、運輸安裝條件等多個方面進行考慮，從換熱管材質(zhì)改進作為切入點，在不增大原有換熱面積的基礎(chǔ)上提高換熱能力，以滿足改造后的系統(tǒng)設(shè)計要求。本文的思路對于技術(shù)改造中處理實際的工程問題有一定的借鑒意義。

1 高加改造方案的考慮與選擇

1.1 增大高壓加熱器換熱面積

原1號高壓加熱器在2006年進行過整體改造，換熱管材質(zhì)為SA-213TP304，運行多年，狀態(tài)良好。繼續(xù)沿用該材質(zhì)，提高換熱面積，其設(shè)備整體體積將增大至少20%。體積增大后的高壓加熱器接口的空間位置及尺寸發(fā)生了變化，需要對其所屬系統(tǒng)管線重新設(shè)計，增加廠房土建基礎(chǔ)布置方面的改造，工作量大大增加。

1.2 提高高壓加熱器的換熱能力

換熱管作為高壓加熱器的核心部件，直接影響著主設(shè)備的換熱能力。通過改進換熱管材質(zhì)，同時延續(xù)原有設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證大部分系統(tǒng)接口與布置不變，大大減少額外的系統(tǒng)設(shè)計與校核問題。但不同材質(zhì)的換熱管，其力學(xué)性能、耐腐蝕性能、機械加工性能等都不盡相同。換熱管材質(zhì)的選擇，需要根據(jù)系統(tǒng)的實際運行介質(zhì)、溫度、壓力、材質(zhì)的耐腐蝕性、運行業(yè)績等綜合考慮。

下面分別對幾種常見的高壓加熱器換熱管材質(zhì)進行分析討論，分別從力學(xué)性能、耐腐蝕性能、導(dǎo)熱能力、經(jīng)濟性等多個方面進行綜合考慮。

2 換熱管材質(zhì)的選型

2.1 常用的換熱管材質(zhì)

對于國內(nèi)外電廠高壓加熱器的換熱管材質(zhì)，常見的材質(zhì)為碳鋼和不銹鋼。早期還曾采用過銅管，但由于銅管的強度及高溫性能不能滿足現(xiàn)場的實際使用工況，現(xiàn)已不在高壓加熱器上使用。

2.1.1 碳鋼換熱管

高加常用的碳鋼換熱管材料，主要是SA-556Gr.C2和20G等材料牌號。SA-556Gr.C2是ASME SA-556/SA-556M標準中的推薦材料，具有較好的塑性和強度，同時也具有較好的抗應(yīng)力腐蝕特性，但抗腐蝕能力較差，對沖蝕也極其敏感。

2.1.2 不銹鋼換熱管

常用的不銹鋼換熱管，主要是奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼。較為常見的主要有SA-668及SA-213材料牌號。在核電機組中，高壓加熱器上較多地采用SA-213TP304及SA-803TP439作為換熱管。

TP304、TP304L、TP304N、TP316、TP316L均屬于奧氏體不銹鋼，具有良好的耐腐蝕性、耐沖蝕性及抗氧化性。304L和316L材料的含碳量較低，剩余的碳當(dāng)量更少，單項奧氏體組織也更穩(wěn)定。奧氏體不銹鋼對氯離子較為敏感，耐氯離子腐蝕的能力較差。在450～850 ℃停留時，材料中的碳會與鉻結(jié)合，形成碳化鉻，使晶間貧鉻，造成晶間腐蝕，這就是奧氏體不銹鋼的“敏化”現(xiàn)象。

TP439屬于鐵素體不銹鋼，材料的性能良好，在高應(yīng)力條件下，腐蝕開裂的敏感性低，具有優(yōu)異的抗點蝕及縫隙腐蝕能力，以及抗晶間腐蝕的能力。但該材料的缺口敏感性高，隨著材料厚度的增加，無塑性轉(zhuǎn)變溫度明顯提高，材料的脆性增大，塑性降低。

2.2 換熱管的力學(xué)性能

高壓加熱器換熱管需要承受給水的壓力，所以，換熱管的力學(xué)性能是材料選型的重要因素之一。根據(jù)ASMEⅡ卷D篇，在特定溫度下，各材料牌號換熱管的許用應(yīng)力不同，如表1所示。

表1 不同材料在不同溫度下的許用應(yīng)力Table 1 Allowable stress of different materials at different temperatures

溫度在375 ℃以下時，SA-556Gr.C2的許用應(yīng)力最高，而不銹鋼的許用應(yīng)力相對較低。火力發(fā)電機組常分為亞臨界機組、超臨界機組和超超臨界機組。換熱器管側(cè)的設(shè)計壓力和設(shè)計溫度如表2所示。

表2 不同火電機組換熱器管側(cè)的設(shè)計壓力和設(shè)計溫度Table 2 The design pressure and temperature on the tube side of the heat exchanger in different thermal power units

換熱管壁厚計算公式如下：

式中：

tr—最小計算壁厚；d—管子外徑；P—設(shè)計壓力；[σ]—許用應(yīng)力；R—彎管直徑。

按照表2的設(shè)計壓力和設(shè)計溫度，計算選取各材料換熱管的壁厚，如表3所示。

表3 不同材質(zhì)換熱管的壁厚計算結(jié)果Table 3 The thickness calculation results of heat exchange tubes with different materials

與火電機組相比，核電機組給水的溫度、壓力參數(shù)相對較低，其高壓加熱器給水設(shè)計溫度不大于250 ℃，設(shè)計壓力不大于15 MPa。

由表3計算可知，在設(shè)計壓力、溫度較低的情況下，采用各種型號材料換熱管的厚度差別并不大。幾種常用換熱管材質(zhì)從力學(xué)性能上看，均可滿足設(shè)計要求。

2.3 換熱管的耐腐蝕性能

2.3.1 碳鋼的耐腐蝕性能

碳鋼換熱管在給水溫度為120～200 ℃時，內(nèi)壁會形成氫氧化亞鐵Fe(OH)2。氫氧化亞鐵Fe(OH)2結(jié)構(gòu)較為疏松，容易被介質(zhì)沖刷。管束的腐蝕過程就是這種氧化膜不斷產(chǎn)生，同時又不斷被沖刷掉的過程。當(dāng)給水溫度高于200 ℃時，換熱管內(nèi)壁會形成質(zhì)地較硬的四氧化三鐵Fe3O4，可以起到保護作用。

在高壓加熱器殼側(cè)，換熱管會受到濕蒸汽和汽化疏水的沖擊?；痣姍C組的加熱器殼側(cè)抽汽為過飽和蒸汽，由于核電機組的特殊性，與火電機組相比，蒸汽參數(shù)較低，加熱器殼側(cè)抽汽為飽和蒸汽。進入加熱器的飽和蒸汽容易冷卻至飽和溫度以下，在凝結(jié)段會產(chǎn)生凝結(jié)水，形成高速流動的汽液兩相流，直接對換熱管造成沖刷與腐蝕。碳鋼管在此種工況下抗沖蝕能力較差。長期處在該工況下，容易造成換熱管沖蝕泄漏。

2.3.2 不銹鋼的耐腐蝕性能

不銹鋼耐腐蝕的原理在于其保護性氧化膜是可以自愈的，其氧化膜主要成分為Cr2O3。當(dāng)氧化膜破裂或被沖刷掉時，鉻離子(Cr3+)會重新與氧離子(O2-)結(jié)合形成保護性氧化膜。同碳鋼管相比，不銹鋼換熱管在耐沖蝕、耐腐蝕性方面有著比較大的優(yōu)越性，但仍存在有一些常見的腐蝕機理，如點腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等氯離子雖然不直接參與腐蝕，而氯化物的造酸傾向和它的游離酸的強酸性將促進縫隙、點腐蝕和應(yīng)力腐蝕。

維持換熱管中水的一定流速(1～1.5 m/s)，消滅滯留(死水)區(qū)可以大大減輕水中氯離子引發(fā)的不銹鋼局部腐蝕。同時，根據(jù)相關(guān)運行經(jīng)驗，關(guān)于控制水中氯離子濃度，500～700 mg/L的氯離子是可以接受的。秦山核電廠主給水有相關(guān)的化學(xué)指標要求，其中關(guān)于氯離子含量嚴格控制在2.3×10-6mg/L,遠小于500～700 mg/L的要求，是滿足不銹管換熱管使用要求的。

2.4 換熱管的換熱性能

換熱管材質(zhì)不同，其換熱性能也不同，表4所示為各個材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

表4 不同材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)Table 4 The thermal conductivity of different materials

由表4可知，碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)要遠高于奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，而439鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)要高于奧氏體不銹鋼，低于碳鋼材料，介于兩者之間，其導(dǎo)熱系數(shù)約是304的1.62倍。

2.5 不同換熱管材質(zhì)的加工工藝要求

SA-556Gr.C2及TP304奧氏體不銹鋼換熱管已普遍應(yīng)用在高加上，加工技術(shù)較為成熟。

TP439鐵素體不銹鋼可焊性較差，在焊接過程中容易產(chǎn)生微裂紋，且在冷變形的過程中存在脆性開裂。針對這幾個問題，經(jīng)過近些年的技術(shù)改進，現(xiàn)國內(nèi)高壓加熱器制造廠家已掌握了439鐵素體不銹鋼管束焊接及脹接的技術(shù)能力。按照對應(yīng)的焊接及脹接工藝，通過使用模擬件分別進行了管子與管板的焊接、脹接性能試驗，試驗結(jié)果均符合了設(shè)計及《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)定》等相關(guān)標準的要求。

2.6 換熱管材質(zhì)的綜合對比

以上分別對常用的換熱管材質(zhì)分別從力學(xué)性能、耐腐蝕性能、導(dǎo)熱能力、加工工藝難度、運行業(yè)績進行了分析，表5分別對于幾個在火電和核電機組常用的高壓加熱器換熱管材質(zhì)的各個特性進行了對比。

表5 換熱管材質(zhì)綜合特性比較Table 5 The comparison of comprehensive characteristics of heat exchange tube materials

3 高壓加熱器換熱管材質(zhì)改進與實踐

由于核電機組的特殊性，在換熱管材質(zhì)的選用上，和火電機組存在差異。使用不銹鋼管可以保證高壓加熱器在長期運行中滿足耐腐蝕、耐沖刷的性能要求。同時TP439的導(dǎo)熱系數(shù)約為TP304的1.62倍，通過計算，假設(shè)在不改變原高加結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，只將換熱管材質(zhì)從TP304更換為TP439，則完全可以滿足新版熱平衡圖熱負荷超過原設(shè)計值的13.22%。

綜上，通過比較兩個改造思路，分別從系統(tǒng)布置、設(shè)備長期穩(wěn)定運行、現(xiàn)場安裝施工等多個方面進行考慮，確定了提高高加換熱能力的技術(shù)改造方向，改進換熱管材質(zhì)，完成最終的設(shè)計選型。

4 高壓加熱器熱力性能試驗

考核高壓加熱器安裝至現(xiàn)場后使用，是否滿足系統(tǒng)要求有以下三個指標：給水端差、疏水端差、給水溫升。1號高壓加熱器在TMCR工況下，給水端差為2.4 ℃，疏水端差為6.3 ℃，給水溫升為24.3 ℃；修正至設(shè)計條件下的給水端差為3.4 ℃，疏水端差為7.5 ℃，給水溫升為25.1 ℃。給水端差及疏水端差小于保證值，給水溫升大于保證值，新1號高壓加熱器完全滿足系統(tǒng)的熱力性能要求。

對改造后的汽輪機進行熱力性能試驗，測試改造后汽輪機主要性能指標，包括發(fā)電機出線端電功率、汽輪機熱耗率與汽輪機發(fā)電熱效率均滿足要求。

5 結(jié) 論

本次改造后的1號高壓加熱器滿足換熱器的設(shè)計要求，同時完全滿足系統(tǒng)的熱力性能要求，確保在機組不同的運行工況下，發(fā)電機出線端電功率、汽輪機熱耗率、汽輪機發(fā)電熱效率完全滿足性能指標保證要求。