凝汽器冷却水管材质选择的探讨

1凝汽器冷却水管材质选择的探讨幺莉河南省电力勘测设计院[内容摘要]本文对电厂凝汽器常用的两种冷却水管材质—铜管和不锈钢管，从材料性能、胀管方式和传热效果和经济性等方面进行比较。建议在编制凝汽器招标书时，根据火电厂的实际情况，选择最优的凝汽器冷却水管管材，保证电厂的长期安全、经济运行。[关键词]凝汽器，冷却水管，材质选择凝汽器是凝汽式或抽汽凝汽式汽轮发电机组的重要辅机设备。凝汽器的运行情况的优劣直接影响到整个机组的正常运行。作为凝汽器的主要传热部件冷却水管的材质选择，显得尤为重要。凝汽器冷却水管管材选择应遵循在采用一般维护措施的条件下，冷却水管应不出现严重的腐蚀、泄漏，尽量延长凝汽器使用寿命为原则。首先讨论冷却水管腐蚀、泄漏的机理。第一，胀口不严密或长期运行导致胀口破裂。第二，汽流对冷却水管束的冲刷、振动和腐蚀。在凝汽器水侧，管子端部可能会含有气泡和水中杂质颗粒对管道内壁进行冲刷；并且管子内壁产生结垢导致的垢下腐蚀。在凝汽器的空气冷却区内，由于积聚了一些不凝结气体，如氨气、氧气、二氧化碳等，对管子进行腐蚀。在凝汽器汽侧，容易出现在凝汽器的上部，湿蒸汽对管外壁的冲刷；排汽夹带水滴高速通过管束引起管子的振动；由于疏水排放位置选择不合理，造成的管子的冲刷。目前，国内主要采用的两种凝汽器冷却水管：铜管和不锈钢管。以下从材料性能、胀管方式和传热效果和经济性等方面对上述两种材质做详细地比较。1．材料性能国内外常用的铜管和不锈钢管的化学成分、物理和机械性能见下表1和表2。可以看出,不锈钢管从材料性能上有以下几个优点：1）不锈钢管材料的强度大于铜管，从而提高冷却水管在运行过程中对汽侧的高速蒸汽及水滴的抗冲击能力。2）不锈钢管的弹性模量大于铜管，表明其抗拉强度好，线膨胀系数低于普通铜管，减少来自内部的应力。3）由于不锈钢管的惯性矩和振动阻尼的数值均大于铜管，所以不锈钢管的抗振动特性在相同条件下优于铜管。4）不锈钢管抗结垢能力强，因为污垢层与不锈钢的热胀系数差别很大，当受热时，由于线型曲率变化不等而自动脱落。5）在凝汽器的空气冷却区内，经常积聚一些不凝气体，主要由氨气、二氧化碳等，铜管对氨气产生的腐蚀极为敏感，造成氨腐蚀。相反，不锈钢管2抗氨腐蚀能力很强。表1冷却水管的牌号及机械、物理性能牌号状态机械性能物理性能抗拉强度b(MPa)屈服强度s(MPa)延伸率(%)密度(g/cm3)弹性模量E(MPa)线胀系数l(10-6)导热率(w/m.C)H68A半硬343250308.6010300019.9123.4软2948838HSn70-1A半硬343290308.6310790020.2108.0软2949838Bre30-1-1半硬491-68.9413730016.229.3软37323Bfe10-1-1半硬275-288.9411770017.146.1软0Cr19Ni9固溶520210408.119810016.615.8TP304(美国)固溶515205408.119800016.615.8X2NiCrMoCu25206(德国)固溶600~800300358.119500017.814表2冷却水管的牌号及化学成分牌号主要成分%杂质含量%铜铝锡砷锌铅锑铋铁磷总和H68A67.0~70.0----0.03~0.06余量0.030.0050.0020.100.010.3HSn70-1A69.0~71.0--0.8~1.30.03~0.06余量0.050.0050.0020.100.010.3镍铁锰铜铅硫碘锌磷总和BFe30-1-129.0~33.00.5~1.00.5~1.2余量0.030.010.050.50.0060.1BFe10-1-19.0~11.01.0~1.50.5~1.0余量0.030.010.050.50.0060.1碳硅锰磷硫镉铬钼铜氮其它0Cr19Ni90.081.002.000.0350.0308.0~10.518.0~20.0--------TP304(美国)0.080.752.000.040.038.0~11.018.0~20.0--------X2NiCrMoCu25206(德国)0.020.72.00.0450.03024.0~26.019.0~21.04.5~5.01.2~1.70.04~0.082．传热效果表面式凝汽器的传热过程如下：冷却水管外表面的蒸汽凝结换热；通过管壁及污垢层的导热；以及管内冷却水的对流换热。当凝汽器冷却水管采用铜管时（以HSn-1A为例)，其导热系数为100w/m.k，管内冷却水流速最高为2.0m/s；而采用不锈钢管时，其导热系数为12w/m.k。虽然铜管的导热系数比不锈钢管大，但根据美国传热学会（HEI）标准《表面式蒸汽凝汽器》中规定的总体传热系数为K=K03tm,k0=C1(Vw)1/2式中：k0为基本传热系数，C1为结构系数，3为清洁系数，t为冷却水温度系数，m为管材及壁厚修正系数。从上述公式可以看出，由于管壁热阻仅占整个热阻的一部分，并且由于不锈钢管壁光洁3度好，清洁系数高，水垢厚度薄，而且不锈钢管内冷却水流速最高可达3.5m/s，设计流速一般取值为2.2~2.3m/s。所以，采用不锈钢管的凝汽器的总体传热系数比铜管凝汽器低10%左右，在循环水量相同的情况下，不锈钢管凝汽器的换热面积比铜管凝汽器大。3．胀管方式通常不锈钢管凝汽器的管板材料选用碳钢+不锈钢复合板，不锈钢管与端板之间采用胀接和焊接的连接方式；而铜管凝汽器的端板采用碳钢材料，铜管与端板仅采用胀接的连接方式。两种连接方式如下图所示。由于铜管的强度低，所以胀管率只能达到6~8%。而不锈钢管的胀管率可以达到10%，而且采用胀焊的工艺，可以保证管道端部无泄漏。根据上安电厂的运行经验，自1989年投运以来，采用不锈钢管的凝汽器从未发生过冷却水管因腐蚀产生的泄漏。4．经济性比较凝汽器冷却水管采用铜管时(以HSn-1A为例)，通常管子规格为251。而采用不锈钢管时，由于不锈钢的强度高，通常选用250.7的管道。通常在凝汽器循环水量相同的条件下，不锈钢管凝汽器的设计面积比铜管凝汽器的换热面积大5~7%。但是，由于不锈钢管壁薄，所以不锈钢管的管材总重比铜管轻。近年来，随着不锈钢管产量增大和管道焊接技术的成熟，不锈钢管管材的价格与铜管的差距逐步缩小。所以，从总的初投资来说，采用不锈钢管凝汽器和铜管凝汽器的价格相差甚微。综上所述，不锈钢管凝汽器在性能上具有明显的优势，冷却水管强度高，抗冲击、抗腐蚀能力强，胀管泄漏率低等特点。对于常规的火力发电厂，建议优先选用不锈钢管作为凝汽器冷却水管。40-45辘管长度501-2翻边防腐涂层铜管端板(碳钢)铜管胀管详图端板(碳钢+不锈钢)不锈钢管辘管长度47-5056不锈钢管胀焊详图0-0.5密封焊(氩弧焊)