电厂典型管壳式换热器换热管选择探讨

何克强，胡仁海，周彦伟

（上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海 200090）

1 概 述

热力发电厂有各种类型的管壳式换热器，比较重要的是高、低压给水加热器、闭式水水热交换器、热网加热器等。这些换热器的主要差异是运行中的压力和温度各不同，介质略有差异，共同特点是要求尽可能高的投运率，以保证发电机组持续高效地运行。换热器失效的最大因素始终是换热管泄露，主要包括管子管板接头泄露和换热管泄露或爆管。众多换热管材料选择的研究和探讨，主要围绕三个主要因素依次展开，即抗冲蚀和耐腐蚀性，拥有中等或较好的传热性能，比较好的经济性。高压加热器还要求管材有良好的高温强度。这些因素是从材料本身的安全可靠性、使用寿命及其造价经济性出发考虑的，较少考虑设备对发电机组的经济性影响，设备制造难度，运行维护水平等因素。对换热管材料寿命的定量研究也非常少。现从选材的一般规则着手，结合高、低压加热器常用管材的寿命试验和电厂实际运行的经验及例证，提出各种主要换热器的换热管选用建议。

2 使用环境

换热管所接触的介质，是管材类型选择首要的考虑因素。电站换热器的介质相对化工行业要简单得多，主要以蒸汽、各种水为主。这些水通常是洁净水，除盐水，也有少量是苦咸水或海水，某些循环水可能夹杂少量的泥沙，比如热网加热器。因此，换热管的选材主要考虑耐氧腐蚀、耐氯腐蚀、抗冲蚀这三个方面。产生较严重冲蚀的一般是夹杂泥沙的开式循环水，如热网加热器及某些水冷热交换器。表1给出了一般换热管材料的选择参考。

表1 材料耐蚀性

以含氯水为工作介质的换热器，常选用奥氏体不锈钢为管材材质，DL／T 712《火力发电厂凝汽器管选材导则》给出了非常好的指导，电站使用的换热器都可以据此执行。由于双相不锈钢价格昂贵，通常在既有应力腐蚀，又有晶间腐蚀的条件下使用，如热网加热器，或用海水冷却而压力又较高的换热器。如仅在低压运行，介质中氯离子含量在5000mg／L以上的换热器管材则宜选用钛管。

3 产品经济性

换热器产品供货商和购买方通常非常注重经济性，因此，兼具高换热性能和强度的材料更受青睐。表2列出了各种常用管材的传热性能、价格和寿命对比，表3则对比了材料的力学性能。

表2 主要材料的传热性能和经济性

表3 主要材料的力学性能

电厂换热器中，仅有高压加热器承受高压和较高温度，目前，超临界以上机组的设计压力通常超过35MPa，设计温度达300℃，甚至更高。所以，要求该类换热管在高温工况下仍具有较大的强度，为避免厚壁管将给制造带来难度和造成高昂的成本。根据作者对以往选用的各种材料和机组设计方案的对比，对于高加所用管材，因高加中的水质较好，选择SA556GrC2（或者15D3）材料是最经济适用的。SA688TP304牌号的材料，由于前述原因而在超临界机组中不被推荐，SA688TP304N则被认为是可行的材料选择，但在超超临界机组中使用则性价比不高。虽然核电机组的设计压力也超过10MPa，但是由于设计温度不高，通常选用的管壁较厚的SA688TP304或SA803TP439材料就能满足设计要求。其它常用的中压（1.6～4.5MPa）换热器材料选择，因工作温度不高，仅需考虑换热性能好，价格比较经济即可。传统上，低压加热器、水水热交换器一般选择TP304材料，热网加热器选择TP304、TP304L、TP316等系列材料。而作者更倾向推荐选择SA803TP439材料，在不影响使用的前提下，具有更好的经济性，当然，前提是采用国产材料。

4 使用寿命及使用成本

换热管在国内外的设计标准中，代表其使用寿命的腐蚀余量都取0mm。这是由于换热管选材时，首要考虑了介质的影响，其又占产品成本比重很大。其实，即使是纯净的水，也难免对管材造成一定的氧化腐蚀，这方面国内外的定量研究甚少。电厂换热器由于其发电机组的特性，要求尽可能长时间地稳定运行。任何换热器的退出运行或者造成停机，都会造成电厂重大的经济损失，这种经济损失往往超过设备本身价值。作者对典型换热管材所进行的冲刷试验，使换热管寿命的基础研究有了良好的开端。

冲刷试验模拟了高压加热器实际运行时的工况，在不同的流速、温度、pH值环境下进行管内冲刷试验，对比试验前后样品重量变化，测定表面元素含量、表面轴向残余应力及表面粗糙度分析。冲蚀形貌见图1。实验显示pH值对碳钢管的冲蚀速率的影响最明显，流速需大至一定程度后才有明显影响，管材的表面元素分析则显示冲蚀是比较均匀的。第二步试验是在第一步试验基础上，选取恶劣工况分别进行碳钢类（含15Mo3）1000h和不锈钢2000h的冲刷试验，得出换热管的失重和金属流失与运行的时间关系。

图1 冲蚀形貌图

对图2和图3的趋势稳定段的数据进行拟合，分别得到SA556CrC2材料的动态均匀腐蚀速率为0.17g／dm2·m，15Mo3材料的动态均匀腐蚀速率为0.19g／dm2·m。对图4和图5的趋势稳定段的数据进行拟合，得TP304材料的动态均匀腐蚀速率为0.0056g／dm2·m，TP439材料的动态均匀腐蚀速率为0.011g／dm2·m。

从实验结果可知，不锈钢换热管本身的冲蚀速率比碳钢类小一个数量级，经验寿命达到碳钢类设备2倍完全可以实现。结合电厂寿命，从使用成本考虑，如果不锈钢管材价格不高于碳钢类两倍还是经济的。这个实验也给设计工程师比较精确的预计设备寿命提供了基础依据。

产品使用成本还与电站的运行水平、检修水平，甚至人工成本紧密关联。设备运行维护较好的电厂，通常可以采用相对经济的材料；运行维护水平较低或者希望尽量减少检修成本的电厂，使用价高质优的材料反而在总体成本上更经济。比如运行水平较差的某些国外电厂的换热器，更适合采用高品质的不锈钢管，而少用碳钢管；人工成本高的香港倾向选择奥氏体不锈钢管用于高压加热器；我国大陆运行水平较高而人工相对低廉，所以普遍根据介质特性来选择合适的材料。印度电厂由于电网不稳定，甚至频繁启停或者变负荷，奥氏体不锈钢管由于其和管板的焊接接头耐疲劳性能优异，更适用于那些可能随机启停或变负荷的换热器。其它地区的电厂也可依此原则。

5 结 语

电厂管壳式换热器多是承压设备，使用的环境相对简单，在满足基本的安全性后，其选用原则更多是围绕整体的经济性展开，无论是传热效果、强度、还是耐蚀性。由于发电机组运行的特殊性，换热器管材的选用，应将使用成本优先于设备成本进行考虑，而且要视具体情况而定，适用且耐用才是最好的。

对材料寿命的基础研究，有助于设计工程师和使用者更清晰明了地选择合适的换热管材料。随着类似研究的不断扩大和深入，以此为基础的数据库会逐步建成，为设计工程师精确设计产品，甚至突破基于弹性失效理论的设计方法创造条件。

1.牛忠华，龚建中.不锈钢换热管在高压加热器的应用.［J］电站辅机，2006（1）.

2.DL／T 712－2000.火力发电厂凝汽器管选材导则［S］.北京：中国电力出版社，2001.

3.陈逸峰，赵佳鸣. 高压加热器碳钢换热管及管板的冲蚀和腐蚀［J］.电站辅机，2009（2）

4.牛序娟，王旭高，魏一.关于SA－556C2换热管在超临界机组高加适用性的探讨［J］.电站辅机，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.