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电厂典型管壳式换热器换热管选择探讨点击：2179 日期：[ 2014-04-26 21:35:28 ] |
| 电厂典型管壳式换热器换热管选择探讨 何克强，胡仁海，周彦伟 （上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海２０００９０） 摘要：电厂内各类管壳式换热器的使用环境相对简单，但工况复杂，对换热器的可靠性要求较高。结合传统方式的换热管选材准则，提出将换热器的整体经济性作为管材的选择原则，并进行了分类讨论。为了精选合适的管材，尝试对管材进行寿命试验，并将分析结果应用于管材的选择中，为突破设计方法开展了可行性基础研究。 关键词：管壳式；换热器；换热管；高压；加热器；冲刷；试验；寿命 中图分类号：ＴＫ２６４．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－０２１０（２０１１）０３－００１０－０３ １·概 述 热力发电厂有各种类型的管壳式换热器，比较重要的是高、低压给水加热器、闭式水水热交换器、热网加热器等。这些换热器的主要差异是运行中的压力和温度各不同，介质略有差异，共同特点是要求尽可能高的投运率，以保证发电机组持续高效地运行。换热器失效的最大因素始终是换热管泄露，主要包括管子管板接头泄露和换热管泄露或爆管。众多换热管材料选择的研究和探讨，主要围绕三个主要因素依次展开，即抗冲蚀和耐腐蚀性，拥有中等或较好的传热性能，比较好的经济性。高压加热器还要求管材有良好的高温强度。这些因素是从材料本身的安全可靠性、使用寿命及其造价经济性出发考虑的，较少考虑设备对发电机组的经济性影响，设备制造难度，运行维护水平等因素。对换热管材料寿命的定量研究也非常少。现从选材的一般规则着手，结合高、低压加热器常用管材的寿命试验和电厂实际运行的经验及例证，提出各种主要换热器的换热管选用建议。 ２·使用环境 换热管所接触的介质，是管材类型选择首要的考虑因素。电站换热器的介质相对化工行业要简单得多，主要以蒸汽、各种水为主。这些水通常是洁净水，除盐水，也有少量是苦咸水或海水，某些循环水可能夹杂少量的泥沙，比如热网加热器。因此，换热管的选材主要考虑耐氧腐蚀、耐氯腐蚀、抗冲蚀这三个方面。产生较严重冲蚀的一般是夹杂泥沙的开式循环水，如热网加热器及某些水冷热交换器。表１给出了一般换热管材料的选择参考。 以含氯水为工作介质的换热器，常选用奥氏体不锈钢为管材材质，ＤＬ／Ｔ ７１２《火力发电厂凝汽器管选材导则》给出了非常好的指导，电站使用的换热器都可以据此执行。由于双相不锈钢价格昂贵，通常在既有应力腐蚀，又有晶间腐蚀的条件下使用，如热网加热器，或用海水冷却而压力又较高的换热器。如仅在低压运行，介质中氯离子含量在５０００ｍｇ／Ｌ以上的换热器管材则宜选用钛管。 ３·产品经济性 换热器产品供货商和购买方通常非常注重经济性，因此，兼具高换热性能和强度的材料更受青睐。表２列出了各种常用管材的传热性能、价格和寿命对比，表３则对比了材料的力学性能。 电厂换热器中，仅有高压加热器承受高压和较高温度，目前，超临界以上机组的设计压力通常超过３５ＭＰａ，设计温度达３００℃，甚至更高。所以，要求该类换热管在高温工况下仍具有较大的强度，为避免厚壁管将给制造带来难度和造成高昂的成本。根据作者对以往选用的各种材料和机组设计方案的对比，对于高加所用管材，因高加中的水质较好，选择ＳＡ５５６ＧｒＣ２（或者１５Ｄ３）材料是最经济适用的。 ＳＡ６８８ＴＰ３０４牌号的材料，由于前述原因而在超临界机组中不被推荐，ＳＡ６８８ＴＰ３０４Ｎ则被认为是可行的材料选择，但在超超临界机组中使用则性价比不高。虽然核电机组的设计压力也超过１０ＭＰａ，但是由于设计温度不高，通常选用的管壁较厚的ＳＡ６８８ＴＰ３０４或ＳＡ８０３ＴＰ４３９材料就能满足设计要求。其它常用的中压（１．６～４．５ＭＰａ）换热器材料选择，因工作温度不高，仅需考虑换热性能好，价格比较经济即可。传统上，低压加热器、水水热交换器一般选择ＴＰ３０４材料，热网加热器选择ＴＰ３０４、ＴＰ３０４Ｌ、ＴＰ３１６等系列材料。而作者更倾向推荐选择ＳＡ８０３ＴＰ４３９材料，在不影响使用的前提下，具有更好的经济性，当然，前提是采用国产材料。 ４·使用寿命及使用成本 换热管在国内外的设计标准中，代表其使用寿命的腐蚀余量都取０ｍｍ。这是由于换热管选材时，首要考虑了介质的影响，其又占产品成本比重很大。其实，即使是纯净的水，也难免对管材造成一定的氧化腐蚀，这方面国内外的定量研究甚少。电厂换热器由于其发电机组的特性，要求尽可能长时间地稳定运行。任何换热器的退出运行或者造成停机，都会造成电厂重大的经济损失，这种经济损失往往超过设备本身价值。作者对典型换热管材所进行的冲刷试验，使换热管寿命的基础研究有了良好的开端。 冲刷试验模拟了高压加热器实际运行时的工况，在不同的流速、温度、ｐＨ值环境下进行管内冲刷试验，对比试验前后样品重量变化，测定表面元素含量、表面轴向残余应力及表面粗糙度分析。冲蚀形貌见图１。实验显示ｐＨ值对碳钢管的冲蚀速率的影响最明显，流速需大至一定程度后才有明显影响，管材的表面元素分析则显示冲蚀是比较均匀的。第二步试验是在第一步试验基础上，选取恶劣工况分别进行碳钢类（含１５Ｍｏ３）１０００ｈ和不锈钢２０００ｈ的冲刷试验，得出换热管的失重和金属流失与运行的时间关系。 对图２和图３的趋势稳定段的数据进行拟合，分别得到ＳＡ５５６ＣｒＣ２材料的动态均匀腐蚀速率为０．１７ｇ／ｄｍ２·ｍ，１５Ｍｏ３材料的动态均匀腐蚀速率为０．１９ｇ／ｄｍ２·ｍ。对图４和图５的趋势稳定段的数据进行拟合，得ＴＰ３０４材料的动态均匀腐蚀速率为０．００５６ｇ／ｄｍ２·ｍ，ＴＰ４３９材料的动态均匀腐蚀速率为０．０１１ｇ／ｄｍ２·ｍ。 从实验结果可知，不锈钢换热管本身的冲蚀速率比碳钢类小一个数量级，经验寿命达到碳钢类设备２倍完全可以实现。结合电厂寿命，从使用成本考虑，如果不锈钢管材价格不高于碳钢类两倍还是经济的。这个实验也给设计工程师比较精确的预计设备寿命提供了基础依据。 产品使用成本还与电站的运行水平、检修水平，甚至人工成本紧密关联。设备运行维护较好的电厂，通常可以采用相对经济的材料；运行维护水平较低或者希望尽量减少检修成本的电厂，使用价高质优的材料反而在总体成本上更经济。比如运行水平较差的某些国外电厂的换热器，更适合采用高品质的不锈钢管，而少用碳钢管；人工成本高的香港倾向选择奥氏体不锈钢管用于高压加热器；我国大陆运行水平较高而人工相对低廉，所以普遍根据介质特性来选择合适的材料。印度电厂由于电网不稳定，甚至频繁启停或者变负荷，奥氏体不锈钢管由于其和管板的焊接接头耐疲劳性能优异，更适用于那些可能随机启停或变负荷的换热器。其它地区的电厂也可依此原则。 ５·结 语 电厂管壳式换热器多是承压设备，使用的环境相对简单，在满足基本的安全性后，其选用原则更多是围绕整体的经济性展开，无论是传热效果、强度、还是耐蚀性。由于发电机组运行的特殊性，换热器管材的选用，应将使用成本优先于设备成本进行考虑，而且要视具体情况而定，适用且耐用才是最好的。对材料寿命的基础研究，有助于设计工程师和使用者更清晰明了地选择合适的换热管材料。随着类似研究的不断扩大和深入，以此为基础的数据库会逐步建成，为设计工程师精确设计产品，甚至突破基于弹性失效理论的设计方法创造条件。 参考文献： １．牛忠华，龚建中．不锈钢换热管在高压加热器的应用．［Ｊ］电站辅机，２００６（１）． ２．ＤＬ／Ｔ ７１２－２０００．火力发电厂凝汽器管选材导则［Ｓ］．北京：中国电力出版社，２００１． ３．陈逸峰，赵佳鸣． 高压加热器碳钢换热管及管板的冲蚀和腐蚀［Ｊ］．电站辅机，２００９（２） ４．牛序娟，王旭高，魏一．关于ＳＡ－５５６Ｃ２换热管在超临界机组高加适用性的探讨［Ｊ］．电站辅机，２００４（４） ５．Ｈｅａｔ ＥｘｃｈａｎｇｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ．Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｆｏｒ ＣｌｏｓｅｄＦｅｅｄｗａｔｅｒ Ｈｅａｔｅｒｓ，８ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ［Ｓ］．２００９． ６．Ｈｅａｔ ＥｘｃｈａｎｇｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ．Ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ，４ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ［Ｓ］．２００４． |
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