沿海電廠凝汽器用材的發展及其展望

顧祥云，謝富友（大唐黃島發電有限責任公司，山東 青島 266599）

沿海電廠凝汽器用材的發展及其展望

顧祥云，謝富友
（大唐黃島發電有限責任公司，山東 青島 266599）

冷凝器作為輔助發電機組的重要冷卻設備。它的好壞直接關系到整個發電廠的穩定運行。目前國內電廠選用銅管（海軍銅管、含砷黃銅管）或鈦管。對銅管而言，易發生點蝕和縫隙腐蝕導致凝汽器泄漏；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良的材料勢在必行。超級鐵素體作為一種較新的應用材料，具有高強度、低熱膨脹系數、耐腐蝕特點，符合濱海電廠的工作要求。

電廠；凝汽器；發展

0　引言

冷凝器是濱海電廠冷卻系統的關鍵設備，同時，也是電力產業、航天產業、工業制冷等諸多產業中不可或缺的重要裝置，對于促進工業產業的發展具有重要作用。然而，隨著產業發展規模的不斷擴大，相關領域對冷凝器自身的質量及工藝水平也提出了更為嚴格的要求。對金屬腐蝕進行分析可知，其是金屬在與周邊介質的化學或電話學作用下發生的損耗［1］。作為冷凝器常見的故障問題，腐蝕問題的產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產到貨領域的支持。而隨著近年來，銅、鎳和鈦等金屬資源的日益短缺，導致冷凝管的價格長期處于居高不低的狀態，故在此背景下，加強對耐腐蝕和具有較強經濟性的冷凝管的制作和生產已成為當前冷凝管制作廠商需要著重解決的關鍵問題［2］。

1　冷凝器的發展及其應用現狀

對冷凝器進行分析可知，其核心構件為冷凝管，故冷凝管的材料直接決定了冷凝器的壽命［3］。冷凝器的發展主要經歷了忽視棺材選擇、重視管材選擇和新型耐腐蝕管材研發三個階段，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，冷凝器平均壽命區間為7-9年。在上世紀五十年代，冷凝器的小容量機組是其發展的重要趨勢，故其功率高于125MW的機組并不常見，但當冷凝器處于電廠的不同工作環境后，便極容易發生腐蝕［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，便容易發生大規模泄露；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重腐蝕。雖然在70年代起我國將冷凝管功率規模提升至300MW，且能夠實現對冷凝管中固態物與氯離子的清除，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，大型電力機組的應用使得各個電廠進一步增加了對冷凝管選擇的合理性，各電廠大都能夠根據季節、工況等實際情況選擇對應的冷凝管［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用，加之對管材防護技術，如犧牲陽極發、硫酸亞鐵氧化法等技術開發的不斷深入，有效提高了冷凝管的防腐性能。然而，隨著電廠規模的不斷擴大，國內冷凝管，特別是傳統的銅材冷凝管已出現了大量腐蝕區域，從而增加了事故頻率和次數［6］。通過對濱海電廠用戶所反饋的信息進行分析可知，在濱海區域，以銅合金為主要管材的冷凝管腐蝕情況要遠比淡水區域嚴重，這也進一步說明的在以海水為冷卻水的介質環境中，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，隨著世界經濟一體化的發展，傳統的小電站機組已難以滿足社會電力領域生產、生活的需求，而核電站的產生和發展又進一步對冷凝管的性能提出了更高的要求，此時，人們發現，相較于銅材料，鈦合金具有更好的強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的各個發電站與大中型電廠的冷凝管中。據相關部門統計，九十年代中期，用于冷凝管制作的鈦合金規模已達到了1320t，且規模仍然呈現出逐年擴大的變化趨勢［7-8］。20世紀以后，隨著我國海濱電廠數量和規模的進一步擴大，焊接鈦管在冷凝管管材中的占有率已達到了90%，但由于所用鈦管大都依賴進口，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進行分析，通過計算水質的PH、CL和鹽含量等，進而選擇與地區水質相符的冷凝器管材。對銅合金管材進行分析可知，其作為長期以來冷凝器應用的主要管材，不僅具有成本低和熱傳導性強等特點，而且還具有較強的耐腐蝕性，也正是因其這一特點，才使其被廣泛應用于淡水和海水等諸多冷卻水當中，特別是在內陸的淡水區域，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用而言，其分別經歷了錫黃銅管、鋁黃銅管和白銅管的銅管管材發展歷程，而就現階段而言，被廣泛應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上加入了硼這一微量元素，進而形成了新一代的含硼錫黃銅管，而硼元素在管材中的應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膜，即便在冷凝器經過長時間運行后，也并不易產生污垢，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熱效率。以山東華魯電廠為例，其4號冷凝器應用的便是此種含有硼元素的管材，自此種管材投入使用后，基本未發生嚴重事故。但需要說明的是，隨著電廠規模的不斷擴大和電廠機組數量的不斷增加，銅制冷凝管也開始出現了不同程度的腐蝕，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重。通過對濱海電廠用戶的反饋信息進行分析可知，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用的最為廣泛的冷凝管，由于鈦合金具有較強的抗沖刷性與耐腐蝕性，密度較低且屈服強度較高，故其具備良好良好的力學及生物兼容性，對于濱海電廠的環境具有較強的適應性。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。從我國現階段對冷凝器管材應用的實際情況來看，鈦制冷凝管仍然占據著較大的市場比例，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，其已經基本取代了傳統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生有害物質，但卻容易附著污泥與微生物，當此類雜質積累到一定程度時，也勢必會對其傳熱效果產生不良影響。因此，從投入層面來看，此類管材的應用還應投入額外的人力、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酸與強堿介質中具有良好的抗腐蝕性，但由于鈦元素本身具有較強的親氫性，故而在應用過程中極容易發生析氫現象［12］。除此之外，對于舊的發電機組而言，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，經常會發生電偶腐蝕的情況，這也是鈦制冷凝管的應用過程中需要著重考慮的關鍵問題。

2.3不銹鋼冷凝管

對不銹鋼冷凝管進行分析可知，其是近年來發展起來且被廣泛應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，還可根據實際需求向管材中添加鋁、銅、氮和鎳等相關元素。以金相組織與合金元素為依據對不銹鋼冷凝管材進行分析可知，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、易加工和屈服強度高等特點，故除了被應用于濱海電廠冷凝器外，相應管材還被廣泛應用于航空、航天和船舶等諸多領域當中［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，但若從結構與發生腐蝕后的傳熱性能來分析，其相關性能要遠高于銅制冷凝管。

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械性能優秀，一般含有高Cr和Mo，同時有強碳化物形成元素Ti、Nb可以穩定組織，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境使用，比如使用海水冷卻介質的凝汽器換熱管。超級鐵素體的機械性能主要表現在硬度，S44660的硬度甚至比Ti還要高，耐磨性優秀；而且，S44660的強度也優于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于鈦管，明顯好于常規不銹鋼管和銅管。超鐵本來就是為了增大抗氯離子局部腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕破裂而研制，尤其適合用于濱海電站等海水環境中。

3.2超級鐵素體不銹鋼的經濟性能

超級鐵素體不銹鋼本質也是鐵素體，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備，采用超級鐵素體熱換管可以比Ti管節省三分之一的花費，它們機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械性能、耐蝕性能優秀，在整個服役期間，故障率低，維護方便，使用壽命長，因此，成本進一步降低。

表1　凝汽器使用S44660與鈦管的經濟性比較

對于大多數電站，如果想要在原有設備的基礎上，對凝汽器熱換管的進行改造，更換為Ti管，會要求對凝汽器水室等進行大面積的改造，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使用，改造周期更短，費用更低。因此，電站舊設備改造，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