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)系到整個發(fā)電廠的穩(wěn)定運行。目前國內(nèi)電廠選用銅管（海軍銅管、含砷黃銅管）或鈦管。對銅管而言，易發(fā)生點蝕和縫隙腐蝕導(dǎo)致凝汽器泄漏；同時，由于銅材價格飛漲，更換凝汽器的全部銅管對投資總額和運行維修費用的影響較大。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，鈦管的造價過于昂貴，尋找一種能夠降低成本且性能優(yōu)良的材料勢在必行。超級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，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，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)生不僅會影響冷凝器的性能，而且也會使冷凝器難以形成對相關(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)致冷凝管的價格長期處于居高不低的狀態(tài)，故在此背景下，加強(qiáng)對耐腐蝕和具有較強(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)三個階段，具體說明如下：

在第一階段，冷凝器的管材時常處于更換的狀態(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，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行一段時間后，便容易發(fā)生大規(guī)模泄露；而在含有懸浮物的淡水中運行時，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年代起我國將冷凝管功率規(guī)模提升至300MW，且能夠?qū)崿F(xiàn)對冷凝管中固態(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)用使得各個電廠進(jìn)一步增加了對冷凝管選擇的合理性，各電廠大都能夠根據(jù)季節(jié)、工況等實際情況選擇對應(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，加之對管材防護(hù)技術(shù)，如犧牲陽極發(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)一步對冷凝管的性能提出了更高的要求，此時，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，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［7-8］。20世紀(jì)以后，隨著我國海濱電廠數(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，成為了國內(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，各濱海電廠大都會對冷卻水的水質(zhì)進(jìn)行分析，通過計算水質(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。對銅合金管材進(jìn)行分析可知，其作為長期以來冷凝器應(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，而且還具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，也正是因其這一特點，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黃銅脫鋅腐蝕的抑制作用，同時，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)過長時間運行后，也并不易產(chǎn)生污垢，從而在提高冷凝管抗腐蝕性的同時，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，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。從我國現(xiàn)階段對冷凝器管材應(yīng)用的實際情況來看，鈦制冷凝管仍然占據(jù)著較大的市場比例，且鈦制冷凝管的市場口碑也較好，受到各大電廠和用戶的廣泛好評。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，也勢必會對其傳熱效果產(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，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超級鐵素體不銹鋼的腐蝕性能

隨著材料研究的發(fā)展，美國等西方管家研制的超級鐵素體不銹鋼，以其卓爾不群的抗腐蝕性能和低廉的價格，極其適合作為凝汽器換熱管使用。超級鐵素體不銹鋼的機(jī)械性能優(yōu)秀，一般含有高Cr和Mo，同時有強(qiáng)碳化物形成元素Ti、Nb可以穩(wěn)定組織，且超級鐵素體不銹鋼將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。尤其是對氯離子的抗蝕性，使得超級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超級鐵素體不銹鋼的經(jīng)濟(jì)性能

超級鐵素體不銹鋼本質(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。對于電站，同等功率的凝汽器設(shè)備，采用超級鐵素體熱換管可以比Ti管節(jié)省三分之一的花費，它們機(jī)組安裝的成本與周期比較見表1。同時，超級鐵素體由于其機(jī)械性能、耐蝕性能優(yōu)秀，在整個服役期間，故障率低，維護(hù)方便，使用壽命長，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

對于大多數(shù)電站，如果想要在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，對凝汽器熱換管的進(jìn)行改造，更換為Ti管，會要求對凝汽器水室等進(jìn)行大面積的改造，重新布局，費用高昂，工程量大。而更換為超級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，費用更低。因此，電站舊設(shè)備改造，超級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