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牛序娟,王旭高,魏 一(上海动力设备有限公司设计研究所,上海 200090)
目前,国内电厂300ＭＷ、600ＭＷ及以上机组中高压加热器换热管选用的材质主要有ＳＡ-556Ｃ2、15Ｄ3、ＳＡ556Ｂ2、不锈钢ＳＡ688ＴＰ304等。其中ＳＡ-556Ｃ2使用最普遍,因此对这些材料的化学成分、机械性能和使用条件作以下说明。
1 现就ＳＡ-566Ｃ2和15Ｄ3两种钢管的化学成分、力学性能作个比较,见表1。
(1)15Ｄ3是法国钢管标准ＮＦＡ49-215中的一个钢号,其合金元素只有Ｍｏ,平均含量为0 30%,其它的Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｌ等元素都是残余元素,不控制下限。和它相当的钢管有德国标准ＤＩＮ17175的15Ｍｏ3和中国国家标准ＧＢ5310的15ＭｏＧ,在美国ＡＳＭＥ规范允许选用的材料目录中没有和15Ｄ3相当的材料。ＡＳＭＥ钢管ＳＡ-556Ｃ2是给水加热器专用的无缝冷拔低碳钢管。按ＡＳＭＥ规范ＶＩＩＩ-1篇规定,ＳＡ-556Ｃ2的使用温度最高为800 (426 7℃)。
(2)两个钢号化学成分比较:ＮＦＡ49-21515Ｄ3的Ｃ含量上限为0 22%,ＳＡ-566Ｃ2的Ｃ含量上限为0 30%,但采购ＳＡ-556Ｃ2钢管时,一般将Ｃ含量控制在较低水平,实际制造的产品一般Ｃ含量控制在0 17%～0 19%。而15Ｄ3含有0 30%的Ｍｏ,这对焊接是很不利的,如果再有较高的Ｃｒ、Ｎｉ等残余元素,将对焊接更不利。
(3)力学性能比较:ＳＡ-556Ｃ2的力学性能,不管是常温还是高温,普遍都比15Ｄ3高,由此可见相同温度下的许用应力也是ＳＡ-556Ｃ2比15Ｄ3高,而且它们的耐冲蚀性应和其力学性能有正相关性,也就是说ＳＡ556Ｃ2的耐冲蚀性能比15Ｄ3好。
(4)15Ｄ3是法国标准ＮＦＡ49-215中的一个牌号,现在这个标准已被欧洲共同体标准ＥＮ10216-2代替,相应的牌号为16Ｍｏ3。15Ｄ3或16Ｍｏ3受控制的合金元素只有Ｍｏ,其它Ｃｒ、Ｎｉ等元素都是残余元素,有人认为进口的15Ｄ3钢管同时含有0 3%Ｍｏ、0 3%Ｃｒ和0 3%Ｎｉ,从而提高了它的性能,这只是一种误解。标准规定Ｃｒ、Ｎｉ控制在0 3%以下,法国ＶＡＬＬＯＵＲＥＣ集团下专门生产热交换管的瓦卢瑞克精密钢管公司(ＶａｌｌｏｕｒｅｃＰｒｅｃｉｓｏｎＥｔｉｒａｇｅ公司,简称ＶＰＥ)公司则能控制在0 15%以下。如果要把Ｃｒ作为合金元素可选用ＥＮ10216-2的13ＣｒＭｏ4-5钢管,但这种情况不多见。
2 关于换热管的设计温度选用
根据ＨＥ1标准,管侧最大设计温度是相应于壳侧设计压力时的饱和蒸汽温度。当具有过热蒸汽冷却段时,该段内直管段的温度要比相应于壳侧设计压力时的饱和蒸汽温度高35 (19 4℃)。根据该标准计算超临界600ＭＷ机组高加管侧设计温度一般最高为325℃,远远低于ＨＥ1标准规定的碳素钢换热管(如ＳＡ-556Ｃ2)的最高金属温度800 (426 7℃)。在ＡＳＭＥＶＩＩＩ-1篇ＵＧ-20中关于设计温度选用规定:零件在设计时所采用的最高温度不应低于零件在操作状态下预期的平均金属温度(以整个厚度考虑)。以600ＭＷ超临界机组3号高加为例(3号高加抽汽温度最高),根据汽机热力平衡图和高加过热蒸汽冷却段的特点,如果以给水端差0℃考虑,正常工况下给水进出过热段的温度为216 4℃、220 7℃,蒸汽进、出过热段的温度为475 6℃、261 86℃,根据过热段传热管内外的污垢、液膜和金属热阻,计算出3号高加过热段进口区换热管表面的平均金属温度为236 6℃,故换热管的温度是不可能达到蒸汽进口温度。
3 传热管材质的性能与高加的寿命有关
但对于汽轮机给水加热器来说,不仅仅是材质问题,传热管进口处的涡流问题、过热蒸汽冷却段进口处的蒸汽流速、过热蒸汽冷却段出口的蒸汽温度和纵向、横向流速及疏水冷却段进口疏水流速的控制和避免各处汽液二相流对传热管的冲蚀都是主要损坏原因。因为如果由于设计原因造成某处发生汽液二相流,那末损坏速度是很快的,而且不管是碳钢管、合金钢管、甚至不锈钢管,都将很快冲蚀损坏,以至高加失效。
4 关于高加中使用不锈钢换热管
换热管材质的选用,首先要满足性能、可靠性和使用寿命,再者比较价格。高压加热器的换热介质:给水、蒸汽,给水经过除氧水质较好,从汽轮机来的蒸汽也很清洁,所以国内火电机组高加上一般均采用碳钢管。核电机组由于其抽汽参数压力较低,湿度大,不锈钢换热管虽然屈服强度低,但其抗拉强度却较高,其耐冲蚀性能优于碳钢管,从安全的角度考虑核电机组都采用不锈钢换热管。近期有项目要求火电机组高加使用不锈钢换热管,因此对高加使用要求不锈钢与碳钢换热管高加做个对比:
(1)不锈钢传热性能差,同样300ＭＷ机组高加热交换面积要增加20%～30%左右。
(2)不锈钢换热管的屈服强度低,300ＭＷ机组给水压力、换热管径不变的情况下,管子厚度要增加30%左右,而不锈钢换热管厚度超过1 8ｍｍ就无法采用焊接管,只能采用冷拔有缝管,这样不锈钢换热管与碳钢管每吨差价4万以上。
(3)由于换热管厚度增加,管内面积减少,相同机组换热管根数也增多,导致加热器壳体、水室直径加大。综合以上各种因数,300ＭＷ火电机组,如果高加中使用不锈钢换热管,一台机组要增加费用超过四百万元。
5 外高桥900ＭＷ机组、石洞口600ＭＷ超临界机组高加换热管就是采用ＳＡ-556Ｃ2。其中石洞口二台机组运行至今已有十二年以上没有一根换热管发生泄漏,外高桥机组高加也已安全运行。因此,在符合法规和标准的前提下,在国内、国外实际运行的验证下,ＡＳＭＥ规范的ＳＡ-556Ｃ2钢管是一种完全适用于大容量超临界、超超临界机组高压加热器上的低成本、高效率的传热管。
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