劉鐵映,張福君,邱 平
(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司,黑龍江 哈爾濱 150046)
高壓加熱器(簡稱高加)是火電機組回熱系統(tǒng)中的關鍵設備,為提高機組的熱效率發(fā)揮著重要作用。在回熱系統(tǒng)中,高壓加熱器主要由水室、管板及換熱管承受鍋爐給水的高壓。高壓加熱器材質(zhì)的選擇至關重要,直接關系到高加的安全性和可靠性。目前,高加水室、管板及殼體的材料制造均已成熟,還未有因殼體材料失效而造成高加報廢的案例。
高加換熱管承擔著加熱蒸汽和鍋爐給水之間的熱量交換,還承受著鍋爐給水的高壓,若換熱管的材質(zhì)選取不當,更容易發(fā)生換熱管的泄漏現(xiàn)象。一旦發(fā)現(xiàn)高加換熱管泄漏,必須立即停機處理,否則,泄漏管周邊的換熱管將被持續(xù)損壞,造成泄漏的換熱管越來越多。高加停運后,機組發(fā)電負荷將下降10%~15%,嚴重影響了機組的發(fā)電效率。因此,換熱管材質(zhì)的選取,是相當重要的議題。
根據(jù)國內(nèi)外對高加換熱管材質(zhì)的要求,常見的換熱管材質(zhì)是碳鋼、低合金鋼、不銹鋼。早期還曾采用過銅管,但銅管的強度低,高溫性能不佳,現(xiàn)已不在高壓加熱器上應用。
高加常用的碳鋼換熱管材料,主要是SA-556Gr.C2和20G等材料牌號,SA-556Gr.C2與20G材料為等同材料。SA-556Gr.C2材料被廣泛應用于各種換熱器,也是ASME SA-556/SA-556M標準中的推薦材料,該材料為碳錳鋼珠光體型鋼,具有較好的塑性和強度,同時也具有較好的抗應力腐蝕特性。SA-556Gr.C2的化學成分,如表1所示。
表1SA-556Gr.C2材料的化學成分
項目成分/%C≤0.3Mn0.29~1.06Cr/Mo/P≤0.035S≤0.035Si≥0.1
20G也是常用的材料牌號,是用于鍋爐的高壓碳鋼管,材料的塑性、韌性及焊接性能較好,常用于高壓或高參數(shù)鍋爐的受熱面管子,如低溫過熱器、屏式過熱器的前屏、省煤器及水冷壁等,早期也曾作為200 MW以下機組高壓加熱器的換熱管使用。目前,隨著SA-556Gr.C2材料在大機組上的廣泛應用,20G材料已逐漸被SA-556Gr.C2材料取代。
合金鋼管較少用于高加換熱管,主要采用的合金鋼管材料牌號及化學成分,如表2所示。
在SA-213T11、SA-213T12、SA-213T22等材料牌號中,添加了Cr、Mo元素,Cr元素具有增加鋼的淬透性,還有二次強化的作用。添加Cr元素后,材料具有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性,增加了鋼的熱強性。添加Mo元素后,可提高材料的抗氧化性。因此,SA-213T11、SA-213T12、SA-213T22材料具有較好的抗沖刷和抗氧化性能。
在不同的標準內(nèi)選用16Mo3和15Mo3材料,但材料的化學成分相近,均是在碳鋼基礎上添加了Mo元素,提高了材料的抗氧化性,但由于含Cr元素為非控制元素,因此,抗沖刷性及耐腐蝕性與碳鋼管相比,并沒有本質(zhì)上的提高。
常用的不銹鋼換熱管,主要是奧氏體不銹鋼管和鐵素體不銹鋼管。不銹鋼換熱管的主要牌號及化學成分,如表3所示。
在304不銹鋼管和316不銹鋼管中,又分為有縫管和無縫管。較為常見的主要有SA-688及SA-213材料牌號。目前,高加上較多地采用了SA-803TP439材料作為換熱管。
以不銹鋼的化學成分進行劃分,基本上可分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼兩大系統(tǒng),分別以Cr13和Cr18Ni8的材料牌號為代表。
表2常用的合金鋼管牌號及化學成分
項目元素成分/%CMnCrMoSi所屬標準材料牌號SA-213T110.05~0.150.3~0.61.0~1.50.44~0.650.5~0.1ASMEⅡSA-213T120.05~0.150.3~0.610.8~1.250.44~0.650.5~0.1ASMEⅡSA-213T220.05~0.150.3~0.61.9~2.60.87~0.1.130.5~0.1ASMEⅡ16Mo30.12~0.20.4~0.9/0.25~0.35/EN1021615Mo30.12~0.20.4~0.8/0.25~0.350.15~0.35DIN17175
表3不銹鋼換熱管的牌號及化學成分
項目元素成分/%C1MnCrMoSiNiN所屬標準材料牌號TP304≤0.08≤2.018~20/≤0.758.0~11.0/ASMEⅡTP304L≤0.035≤2.018~20/≤0.758.0~11.0/ASMEⅡTP304N≤0.080≤2.018~20/≤0.758.0-11.00.10~0.16ASMEⅡTP316≤0.080≤2.016~182.00~3.00≤0.7511.0~14.0/ASMEⅡ316L≤0.035≤2.016~182.00~3.00≤0.7510.0~15.0/ASMEⅡTP439≤0.070≤1.017~19/≤1.0≤0.5/ASMEⅡ
SA-803TP439材料是鐵素體不銹鋼,材料的性能良好,在高應力條件下,腐蝕開裂的敏感性低,具有優(yōu)異的抗點蝕及縫隙腐蝕能力, 以及抗晶間腐蝕的能力。但該材料的缺口敏感性高,隨著材料厚度的增加,無塑性轉(zhuǎn)變溫度明顯提高,材料的脆性增大,塑性降低。SA-803TP439鐵素體不銹鋼抗氯離子性能比奧氏體不銹鋼還要弱,但該類材料,在核電加熱器上具有較廣泛的應用。
TP304、TP304L、TP304N、TP316、TP316L材料均屬于奧氏體不銹鋼,具有良好的耐腐蝕性、耐沖蝕性及抗氧化性。當TP304L、TP316L材料的含碳量小于或等于0.03%時,單項奧氏體組織是非常穩(wěn)定的,可在各溫度范圍內(nèi)使用,耐蝕性能均很高。當TP304、TP304N及TP316不銹鋼含碳量大于0.03%時,超過了奧氏體的溶碳量,在一定程度上降低了抗腐蝕能力,容易導致晶間腐蝕、點腐蝕及沿晶間型的應力腐蝕開裂,因此,奧氏體不銹鋼均采用固溶化熱處理,以獲得單項奧氏體組織。304L和316L材料的含碳量較低,剩余的碳當量更少,單項奧氏體組織也更穩(wěn)定,因此,材料的耐腐蝕性更強。當奧氏體不銹鋼在450~850℃停留時,材料中的碳會與鉻結合,形成碳化鉻,使晶間貧鉻,造成晶間腐蝕,這就是奧氏體不銹鋼的“敏化”現(xiàn)象。奧氏體不銹鋼還對氯離子的較為敏感,耐氯離子腐蝕的能力較差。
高壓加熱器換熱管承受高加給水的壓力,因此,在選材時,換熱管的力學性能是重要指標之一。在特定溫度下,各材料牌號換熱管的許用應力,在ASME Ⅱ卷 D篇中所列出的數(shù)據(jù),如表4所示。
表4 特定溫度下各牌號換熱管的許用應力 單位:MPa
從表4的數(shù)據(jù)可知,溫度為375℃以下時,SA-556Gr.C2材料的許用應力最高,16Mo3材料次之,而不銹鋼的許用應力則相對較低。需要注意的是,16Mo3的許用應力數(shù)據(jù),是ASME Ⅱ卷 D篇中給出的,而16Mo3材料為EN10216-2標準中的選用材料。在EN10216-2標準中,給出的16Mo3材料的屈服強度,如表5所示。
表516Mo3材料的屈服強度(不同溫度下)
項目不同溫度下/℃100150200250300350400450屈服強度/MPa243237224205173159156150
在ASME標準中,采用屈服強度作為選用的許用應力,安全系數(shù)取1.6。因此,也按屈服強度與安全系數(shù)的比值,計算得出16Mo3材料的許用應力,如表6所示。
表6各溫度下16Mo3材料的許用應力
項目不同溫度下/℃100150200250300350400450許用應力/MPa152148140128108999894
從表6可知,當溫度高于300℃時,16Mo3材料的許用應力值,比ASME Ⅱ卷D篇中給出的值要低。因此,使用16Mo3材料時,若按ASME標準選取許用應力,在采購前需人為地提高該材料屈服強度的最低值,不能僅僅滿足EN10216-2標準的要求。
火力發(fā)電機組常被分為亞臨界機組、超臨界機組和超超臨界機組,換熱器管側的設計壓力和設計溫度,分別按照設計院給出的最高值選取,管側設計壓力及管側設計溫度,如表7所示。因二次再熱機組的設計壓力達45~50 MPa,為特殊工況,所以,不在此討論。
表7各型機組的管側設計壓力及管側設計溫度
項目亞臨界超臨界超超臨界管側設計壓力/ MPa27.53539管側設計溫度/℃315320360
按表7中的設計壓力和設計溫度,計算選取各材料換熱管的壁厚,如表8所示。
表8 計算各材料換熱管的壁厚(外徑為15.88)單位:mm
從表8的計算數(shù)據(jù)可知,在亞臨界機組中,由于壓力較低,采用各型材料換熱管的厚度差別并不大,均為2~3 mm,若用于超超臨界機組,則不銹鋼管和低合金鋼管(16Mo3材料除外)的厚度,已達3.0 mm之上。
SA-556Gr.C2碳鋼換熱管已普遍應用在高加上,加工技術較為成熟。換熱管與高壓管板的焊接及脹接,均不存在問題。
在國內(nèi)外,也有部分設備采用16Mo3材料的換熱管,因管料含有Mo元素,焊接性能略遜于SA-556Gr.C2材料,但該材料的制造技術成熟,通過改進焊接工藝,提高了材料的焊接性能。SA-213T11等材料是常見的低合金鋼管,并沒有在高壓加熱器上廣泛應用。在ASME標準中,SA-213T11等材料規(guī)定的許用應力比碳鋼低,但該材料的硬度和強度較高。某設備中,曾采用15CrMo(等同SA-213T11材料)作為換熱管(規(guī)格為?15.88 mm×2.6 mm),對換熱管進行脹接試驗時,發(fā)現(xiàn)較難完成脹接。從表8可知,低合金鋼換熱管可應用在亞臨界機組,若用于超臨界和超超臨界機組,則管壁較厚,造成脹接困難,應慎重選用。
奧氏體不銹鋼管常被選用為低壓加熱器換熱管,奧氏體不銹鋼具有良好的加工性能,受奧氏體不銹鋼管“敏化”特性的影響,不能對加熱器進行整體熱處理,需對殼體及接管焊縫單獨進行熱處理,當殼體厚度較厚時,局部熱處理時存在加熱不均勻等問題。
SA-803TP439為常用的鐵素體不銹鋼,在核電高壓加熱器及分離器(MSR)上有廣泛的應用,但該材料具有脆性問題,使用厚度所到限制。據(jù)了解,美國某鋼廠生產(chǎn)的SA-803TP439鋼管,最大厚度僅為2.2 mm,超過此厚度后,材料的脆性將顯著增加,當材料厚度達到2.5 mm時,其無塑性轉(zhuǎn)變溫度已達到了20 ℃,這種材料性質(zhì)限制了管材的應用。
按ASME標準中給出的許用應力值,該材料僅能應用于325℃以下。在火電高加的設計方案中,高加的設計溫度及換熱管厚度均超過了該材料的許用值,因此,該材料不適合應用于火電高壓加熱器。
換熱管在高加中承擔著傳熱的任務,因此,在換熱計算中,需要著重考慮換熱管的傳熱性能。不同材質(zhì)換熱管的傳熱性能各不相同,各材料在不同溫度下的導熱系數(shù),如表9所示。
表9 各材料在不同溫度下的導熱系數(shù) 單位:w/m2·k
由表8可知,SA-556Gr.C2及16Mo3材料的導熱系數(shù)最高,低合金鋼的導熱系數(shù)次之,而不銹鋼的導熱系數(shù)最小。關于SA-803TP439材料,在ASME材料中并未給出該材料的導熱系數(shù),但國內(nèi)已擁有了該種材料換熱管的加熱器,并取得了滿意的運行效果。
高壓加熱器常見的失效模式,是換熱管的泄漏。換熱管泄漏的原因較為復雜,且與設計、制造及運行等方面均有很大的關系。
SA-556Gr.C2管材是加熱器常用的無縫冷拔碳鋼管,在高壓加熱器中應用廣泛。雖然SA-556Gr.C2鋼管的耐腐蝕性能不如不銹鋼管材,但因高加運行時的介質(zhì)為凈化水,所以運行效果良好。SA-556Gr.C2的金相組織為鐵素體+珠光體,晶體為體心立方結構。目前,在高壓加熱器換熱管中,使用最多的就是SA-556Gr.C2材料。據(jù)不完全統(tǒng)計,在正常運行及適當維護的工況下,該材料換熱管的首次泄漏期限,為投運后7~10年,可見,該材料換熱管的可靠性較高。
16Mo3、15Mo3低合金鋼管材在國內(nèi)也有應用,該管材同樣存在泄漏的問題,實際運行情況與SA-556Gr.C2管材相近。SA-213T11等Cr-Mo材料,很少應用在高壓加熱器上,目前還沒有相關的運行數(shù)據(jù)。
不銹鋼換熱管的材質(zhì)主要為奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼。目前,在高加上應用較多的奧氏體不銹鋼換熱管,是SA-213TP304管材。從理論上分析,不銹鋼的耐沖蝕性、抗氧化性及抗腐蝕性能,要強于碳鋼SA-556Gr.C2材料,作為高加換熱管,應具有更好的運行效果,但實際運行中并非如此。選用SA-213TP304作為高加換熱管,在技術及經(jīng)驗上還不成熟。國外660 MW超臨界機組的高加,也有采用SA-213TP304不銹鋼管作為換熱管,有些換熱器在1年內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的泄漏,且泄漏位置無規(guī)律。對某高加解體后,發(fā)現(xiàn)在換熱管斷口附近位置出現(xiàn)裂紋,疑為應力腐蝕或者晶間腐蝕造成的。經(jīng)材料分析和試驗,換熱管的化學成分和力學性能指標均合格。某高加換熱管的裂紋,如圖1所示。
圖1 某高加解體后換熱管的裂紋
奧氏體不銹鋼屬于面心立方結構,易產(chǎn)生晶體的滑移,并形成粗大的滑移臺階,抗應力腐蝕的性能較差,而應力腐蝕破裂是應力作用下腐蝕的基本形式。通常,當應力不存在時,發(fā)生的腐蝕非常輕微,但當有應力且應力超過某臨界值后,將在腐蝕并不嚴重的情況下發(fā)生材料的脆斷。發(fā)生應力腐蝕破裂,是材料在使用中失效乃至發(fā)生斷裂的重要原因。
換熱管作為高壓加熱器的核心零件,管材的選擇,直接關系到高加的后續(xù)運行。由分析可知,亞臨界機組的壓力較低,采用碳鋼管、合金鋼或不銹鋼換熱管在厚度上的差別不大,無論采用哪種材料均是可行的,而超臨界、超超臨界機組的壓力較高, 在選取換熱管的壁厚上,則有較大的不同,因此,將對加熱器制造及運行帶來的不同結果。SA-556Gr.C2和16Mo3管材,均已在超超臨界機組上得到應用,在設計及制造加工方面均不存在問題。
在超臨界和超超臨界機組上,常采用合金鋼換熱管,該材料在理論上具有較好的耐腐蝕和沖蝕性,但需選用較厚的管壁,存在脹接困難等問題。因此,選用合金鋼管材時,應考慮管板的接管加工,使換熱管與管板接管形成對接,以換熱管的對接焊縫質(zhì)量,確保管子與管板連接的可靠性。
在超臨界機組中,若采用不銹鋼管料作為高加換熱管,還需在計算中考慮某些問題。
(1)不銹鋼換熱管的壁厚,比采用碳鋼管的壁厚增加約30%。
(2)奧氏體不銹鋼的傳熱性能比碳鋼和低合金鋼要低,且由于選用的壁厚比碳鋼厚30%,導致高壓加熱器的換熱面積增大,經(jīng)統(tǒng)計,約需增加50%。
(3)設備的長度及重量均有增加,增加了運輸和安裝的難度(不銹鋼管3臺高加的總重約為420 t,碳鋼管高加3臺高加的總重約305 t)。
奧氏體不銹鋼管對氯離子十分敏感,很低的氯離子含量在短時間內(nèi)就可對換熱管造成嚴重的腐蝕,這是奧氏體不銹鋼致命的缺點。在停機期間,由于水分的蒸發(fā)造成氯離子富集,這是難于避免的,恰恰是氯離子造成奧氏體不銹鋼管腐蝕的重大因素。尤其是使用海水為水冷介質(zhì)的機組,當凝汽器發(fā)生泄漏時,往往有大量的海水進入給水系統(tǒng),大量的氯離子將會對不銹鋼換熱管造成無可挽回的損傷。因此,從經(jīng)濟性和可靠性上考慮,高壓加熱器的換熱管應優(yōu)先考慮使用碳鋼管或低合金鋼管,慎用不銹鋼換熱管。
經(jīng)對比分析可知,將SA-556Gr.C2和16Mo3材料作為換熱管,是高加換熱管的首選材料,已積累了大量的制造和運行經(jīng)驗。Cr-Mo型合金鋼管雖然比碳鋼管更耐沖蝕,耐腐蝕,但欠缺運行經(jīng)驗的支撐,若在超臨界以上機組中使用,還需考慮管子的脹接問題。使用不銹鋼換熱管時,應優(yōu)先考慮鐵素體不銹鋼,慎用奧氏體不銹鋼。