電廠典型管殼式換熱器換熱管選擇探討

何克強，胡仁海，周彥偉

（上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海 200090）

1 概 述

熱力發電廠有各種類型的管殼式換熱器，比較重要的是高、低壓給水加熱器、閉式水水熱交換器、熱網加熱器等。這些換熱器的主要差異是運行中的壓力和溫度各不同，介質略有差異，共同特點是要求盡可能高的投運率，以保證發電機組持續高效地運行。換熱器失效的最大因素始終是換熱管泄露，主要包括管子管板接頭泄露和換熱管泄露或爆管。眾多換熱管材料選擇的研究和探討，主要圍繞三個主要因素依次展開，即抗沖蝕和耐腐蝕性，擁有中等或較好的傳熱性能，比較好的經濟性。高壓加熱器還要求管材有良好的高溫強度。這些因素是從材料本身的安全可靠性、使用壽命及其造價經濟性出發考慮的，較少考慮設備對發電機組的經濟性影響，設備制造難度，運行維護水平等因素。對換熱管材料壽命的定量研究也非常少。現從選材的一般規則著手，結合高、低壓加熱器常用管材的壽命試驗和電廠實際運行的經驗及例證，提出各種主要換熱器的換熱管選用建議。

2 使用環境

換熱管所接觸的介質，是管材類型選擇首要的考慮因素。電站換熱器的介質相對化工行業要簡單得多，主要以蒸汽、各種水為主。這些水通常是潔凈水，除鹽水，也有少量是苦咸水或海水，某些循環水可能夾雜少量的泥沙，比如熱網加熱器。因此，換熱管的選材主要考慮耐氧腐蝕、耐氯腐蝕、抗沖蝕這三個方面。產生較嚴重沖蝕的一般是夾雜泥沙的開式循環水，如熱網加熱器及某些水冷熱交換器。表1給出了一般換熱管材料的選擇參考。

表1 材料耐蝕性

以含氯水為工作介質的換熱器，常選用奧氏體不銹鋼為管材材質，DL／T 712《火力發電廠凝汽器管選材導則》給出了非常好的指導，電站使用的換熱器都可以據此執行。由于雙相不銹鋼價格昂貴，通常在既有應力腐蝕，又有晶間腐蝕的條件下使用，如熱網加熱器，或用海水冷卻而壓力又較高的換熱器。如僅在低壓運行，介質中氯離子含量在5000mg／L以上的換熱器管材則宜選用鈦管。

3 產品經濟性

換熱器產品供貨商和購買方通常非常注重經濟性，因此，兼具高換熱性能和強度的材料更受青睞。表2列出了各種常用管材的傳熱性能、價格和壽命對比，表3則對比了材料的力學性能。

表2 主要材料的傳熱性能和經濟性

表3 主要材料的力學性能

電廠換熱器中，僅有高壓加熱器承受高壓和較高溫度，目前，超臨界以上機組的設計壓力通常超過35MPa，設計溫度達300℃，甚至更高。所以，要求該類換熱管在高溫工況下仍具有較大的強度，為避免厚壁管將給制造帶來難度和造成高昂的成本。根據作者對以往選用的各種材料和機組設計方案的對比，對于高加所用管材，因高加中的水質較好，選擇SA556GrC2（或者15D3）材料是最經濟適用的。SA688TP304牌號的材料，由于前述原因而在超臨界機組中不被推薦，SA688TP304N則被認為是可行的材料選擇，但在超超臨界機組中使用則性價比不高。雖然核電機組的設計壓力也超過10MPa，但是由于設計溫度不高，通常選用的管壁較厚的SA688TP304或SA803TP439材料就能滿足設計要求。其它常用的中壓（1.6～4.5MPa）換熱器材料選擇，因工作溫度不高，僅需考慮換熱性能好，價格比較經濟即可。傳統上，低壓加熱器、水水熱交換器一般選擇TP304材料，熱網加熱器選擇TP304、TP304L、TP316等系列材料。而作者更傾向推薦選擇SA803TP439材料，在不影響使用的前提下，具有更好的經濟性，當然，前提是采用國產材料。

4 使用壽命及使用成本

換熱管在國內外的設計標準中，代表其使用壽命的腐蝕余量都取0mm。這是由于換熱管選材時，首要考慮了介質的影響，其又占產品成本比重很大。其實，即使是純凈的水，也難免對管材造成一定的氧化腐蝕，這方面國內外的定量研究甚少。電廠換熱器由于其發電機組的特性，要求盡可能長時間地穩定運行。任何換熱器的退出運行或者造成停機，都會造成電廠重大的經濟損失，這種經濟損失往往超過設備本身價值。作者對典型換熱管材所進行的沖刷試驗，使換熱管壽命的基礎研究有了良好的開端。

沖刷試驗模擬了高壓加熱器實際運行時的工況，在不同的流速、溫度、pH值環境下進行管內沖刷試驗，對比試驗前后樣品重量變化，測定表面元素含量、表面軸向殘余應力及表面粗糙度分析。沖蝕形貌見圖1。實驗顯示pH值對碳鋼管的沖蝕速率的影響最明顯，流速需大至一定程度后才有明顯影響，管材的表面元素分析則顯示沖蝕是比較均勻的。第二步試驗是在第一步試驗基礎上，選取惡劣工況分別進行碳鋼類（含15Mo3）1000h和不銹鋼2000h的沖刷試驗，得出換熱管的失重和金屬流失與運行的時間關系。

圖1 沖蝕形貌圖

對圖2和圖3的趨勢穩定段的數據進行擬合，分別得到SA556CrC2材料的動態均勻腐蝕速率為0.17g／dm2·m，15Mo3材料的動態均勻腐蝕速率為0.19g／dm2·m。對圖4和圖5的趨勢穩定段的數據進行擬合，得TP304材料的動態均勻腐蝕速率為0.0056g／dm2·m，TP439材料的動態均勻腐蝕速率為0.011g／dm2·m。

從實驗結果可知，不銹鋼換熱管本身的沖蝕速率比碳鋼類小一個數量級，經驗壽命達到碳鋼類設備2倍完全可以實現。結合電廠壽命，從使用成本考慮，如果不銹鋼管材價格不高于碳鋼類兩倍還是經濟的。這個實驗也給設計工程師比較精確的預計設備壽命提供了基礎依據。

產品使用成本還與電站的運行水平、檢修水平，甚至人工成本緊密關聯。設備運行維護較好的電廠，通常可以采用相對經濟的材料；運行維護水平較低或者希望盡量減少檢修成本的電廠，使用價高質優的材料反而在總體成本上更經濟。比如運行水平較差的某些國外電廠的換熱器，更適合采用高品質的不銹鋼管，而少用碳鋼管；人工成本高的香港傾向選擇奧氏體不銹鋼管用于高壓加熱器；我國大陸運行水平較高而人工相對低廉，所以普遍根據介質特性來選擇合適的材料。印度電廠由于電網不穩定，甚至頻繁啟停或者變負荷，奧氏體不銹鋼管由于其和管板的焊接接頭耐疲勞性能優異，更適用于那些可能隨機啟停或變負荷的換熱器。其它地區的電廠也可依此原則。

5 結 語

電廠管殼式換熱器多是承壓設備，使用的環境相對簡單，在滿足基本的安全性后，其選用原則更多是圍繞整體的經濟性展開，無論是傳熱效果、強度、還是耐蝕性。由于發電機組運行的特殊性，換熱器管材的選用，應將使用成本優先于設備成本進行考慮，而且要視具體情況而定，適用且耐用才是最好的。

對材料壽命的基礎研究，有助于設計工程師和使用者更清晰明了地選擇合適的換熱管材料。隨著類似研究的不斷擴大和深入，以此為基礎的數據庫會逐步建成，為設計工程師精確設計產品，甚至突破基于彈性失效理論的設計方法創造條件。

1.牛忠華，龔建中.不銹鋼換熱管在高壓加熱器的應用.［J］電站輔機，2006（1）.

2.DL／T 712－2000.火力發電廠凝汽器管選材導則［S］.北京：中國電力出版社，2001.

3.陳逸峰，趙佳鳴. 高壓加熱器碳鋼換熱管及管板的沖蝕和腐蝕［J］.電站輔機，2009（2）

4.牛序娟，王旭高，魏一.關于SA－556C2換熱管在超臨界機組高加適用性的探討［J］.電站輔機，2004（4）

5.Heat ExchangeInstitute.Incorporated.Standards For Closed Feedwater Heaters，8th Edition［S］.2009.

6.Heat ExchangeInstitute.Incorporated.Standard for Power Plant heat Exchangers，4th Edition［S］.2004.