高压加热器换热管的材质对比及分析

刘铁映，张福君，邱 平

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

0 概 述

高压加热器(简称高加)是火电机组回热系统中的关键设备，为提高机组的热效率发挥着重要作用。在回热系统中，高压加热器主要由水室、管板及换热管承受锅炉给水的高压。高压加热器材质的选择至关重要，直接关系到高加的安全性和可靠性。目前，高加水室、管板及壳体的材料制造均已成熟，还未有因壳体材料失效而造成高加报废的案例。

高加换热管承担着加热蒸汽和锅炉给水之间的热量交换，还承受着锅炉给水的高压，若换热管的材质选取不当，更容易发生换热管的泄漏现象。一旦发现高加换热管泄漏，必须立即停机处理，否则，泄漏管周边的换热管将被持续损坏，造成泄漏的换热管越来越多。高加停运后，机组发电负荷将下降10%～15%，严重影响了机组的发电效率。因此，换热管材质的选取，是相当重要的议题。

1 常用的换热管材料

根据国内外对高加换热管材质的要求，常见的换热管材质是碳钢、低合金钢、不锈钢。早期还曾采用过铜管，但铜管的强度低，高温性能不佳，现已不在高压加热器上应用。

1.1 碳钢管

高加常用的碳钢换热管材料，主要是SA-556Gr.C2和20G等材料牌号，SA-556Gr.C2与20G材料为等同材料。SA-556Gr.C2材料被广泛应用于各种换热器，也是ASME SA-556/SA-556M标准中的推荐材料，该材料为碳锰钢珠光体型钢，具有较好的塑性和强度，同时也具有较好的抗应力腐蚀特性。SA-556Gr.C2的化学成分，如表1所示。

表1SA-556Gr.C2材料的化学成分

项目成分/%C≤0.3Mn0.29～1.06Cr/Mo/P≤0.035S≤0.035Si≥0.1

20G也是常用的材料牌号，是用于锅炉的高压碳钢管，材料的塑性、韧性及焊接性能较好，常用于高压或高参数锅炉的受热面管子，如低温过热器、屏式过热器的前屏、省煤器及水冷壁等，早期也曾作为200 MW以下机组高压加热器的换热管使用。目前，随着SA-556Gr.C2材料在大机组上的广泛应用，20G材料已逐渐被SA-556Gr.C2材料取代。

1.2 合金钢管

合金钢管较少用于高加换热管，主要采用的合金钢管材料牌号及化学成分，如表2所示。

在SA-213T11、SA-213T12、SA-213T22等材料牌号中，添加了Cr、Mo元素，Cr元素具有增加钢的淬透性，还有二次强化的作用。添加Cr元素后，材料具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性，增加了钢的热强性。添加Mo元素后，可提高材料的抗氧化性。因此，SA-213T11、SA-213T12、SA-213T22材料具有较好的抗冲刷和抗氧化性能。

在不同的标准内选用16Mo3和15Mo3材料，但材料的化学成分相近，均是在碳钢基础上添加了Mo元素，提高了材料的抗氧化性，但由于含Cr元素为非控制元素，因此，抗冲刷性及耐腐蚀性与碳钢管相比，并没有本质上的提高。

1.3 不锈钢换热管

常用的不锈钢换热管，主要是奥氏体不锈钢管和铁素体不锈钢管。不锈钢换热管的主要牌号及化学成分，如表3所示。

在304不锈钢管和316不锈钢管中，又分为有缝管和无缝管。较为常见的主要有SA-688及SA-213材料牌号。目前，高加上较多地采用了SA-803TP439材料作为换热管。

以不锈钢的化学成分进行划分，基本上可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大系统，分别以Cr13和Cr18Ni8的材料牌号为代表。

表2常用的合金钢管牌号及化学成分

项目元素成分/%CMnCrMoSi所属标准材料牌号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不锈钢换热管的牌号及化学成分

项目元素成分/%C1MnCrMoSiNiN所属标准材料牌号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材料是铁素体不锈钢，材料的性能良好，在高应力条件下，腐蚀开裂的敏感性低，具有优异的抗点蚀及缝隙腐蚀能力， 以及抗晶间腐蚀的能力。但该材料的缺口敏感性高，随着材料厚度的增加，无塑性转变温度明显提高，材料的脆性增大，塑性降低。SA-803TP439铁素体不锈钢抗氯离子性能比奥氏体不锈钢还要弱，但该类材料，在核电加热器上具有较广泛的应用。

TP304、TP304L、TP304N、TP316、TP316L材料均属于奥氏体不锈钢，具有良好的耐腐蚀性、耐冲蚀性及抗氧化性。当TP304L、TP316L材料的含碳量小于或等于0.03%时，单项奥氏体组织是非常稳定的，可在各温度范围内使用，耐蚀性能均很高。当TP304、TP304N及TP316不锈钢含碳量大于0.03%时，超过了奥氏体的溶碳量，在一定程度上降低了抗腐蚀能力，容易导致晶间腐蚀、点腐蚀及沿晶间型的应力腐蚀开裂，因此，奥氏体不锈钢均采用固溶化热处理，以获得单项奥氏体组织。304L和316L材料的含碳量较低，剩余的碳当量更少，单项奥氏体组织也更稳定，因此，材料的耐腐蚀性更强。当奥氏体不锈钢在450～850℃停留时，材料中的碳会与铬结合，形成碳化铬，使晶间贫铬，造成晶间腐蚀，这就是奥氏体不锈钢的“敏化”现象。奥氏体不锈钢还对氯离子的较为敏感，耐氯离子腐蚀的能力较差。

2 换热管的力学性能

高压加热器换热管承受高加给水的压力，因此，在选材时，换热管的力学性能是重要指标之一。在特定温度下，各材料牌号换热管的许用应力，在ASME Ⅱ卷 D篇中所列出的数据，如表4所示。

表4 特定温度下各牌号换热管的许用应力 单位：MPa

从表4的数据可知，温度为375℃以下时，SA-556Gr.C2材料的许用应力最高，16Mo3材料次之，而不锈钢的许用应力则相对较低。需要注意的是，16Mo3的许用应力数据，是ASME Ⅱ卷 D篇中给出的，而16Mo3材料为EN10216-2标准中的选用材料。在EN10216-2标准中，给出的16Mo3材料的屈服强度，如表5所示。

表516Mo3材料的屈服强度(不同温度下)

项目不同温度下/℃100150200250300350400450屈服强度/MPa243237224205173159156150

在ASME标准中，采用屈服强度作为选用的许用应力，安全系数取1.6。因此，也按屈服强度与安全系数的比值，计算得出16Mo3材料的许用应力，如表6所示。

表6各温度下16Mo3材料的许用应力

项目不同温度下/℃100150200250300350400450许用应力/MPa152148140128108999894

从表6可知，当温度高于300℃时，16Mo3材料的许用应力值，比ASME Ⅱ卷D篇中给出的值要低。因此，使用16Mo3材料时，若按ASME标准选取许用应力，在采购前需人为地提高该材料屈服强度的最低值，不能仅仅满足EN10216-2标准的要求。

火力发电机组常被分为亚临界机组、超临界机组和超超临界机组，换热器管侧的设计压力和设计温度，分别按照设计院给出的最高值选取，管侧设计压力及管侧设计温度，如表7所示。因二次再热机组的设计压力达45～50 MPa，为特殊工况，所以，不在此讨论。

表7各型机组的管侧设计压力及管侧设计温度

项目亚临界超临界超超临界管侧设计压力/ MPa27.53539管侧设计温度/℃315320360

按表7中的设计压力和设计温度，计算选取各材料换热管的壁厚，如表8所示。

表8 计算各材料换热管的壁厚(外径为15.88)单位：mm

从表8的计算数据可知，在亚临界机组中，由于压力较低，采用各型材料换热管的厚度差别并不大，均为2～3 mm，若用于超超临界机组，则不锈钢管和低合金钢管(16Mo3材料除外)的厚度，已达3.0 mm之上。

3 换热管材料的加工

3.1 碳钢管

SA-556Gr.C2碳钢换热管已普遍应用在高加上，加工技术较为成熟。换热管与高压管板的焊接及胀接，均不存在问题。

3.2 低合金钢

在国内外，也有部分设备采用16Mo3材料的换热管，因管料含有Mo元素，焊接性能略逊于SA-556Gr.C2材料，但该材料的制造技术成熟，通过改进焊接工艺，提高了材料的焊接性能。SA-213T11等材料是常见的低合金钢管，并没有在高压加热器上广泛应用。在ASME标准中，SA-213T11等材料规定的许用应力比碳钢低，但该材料的硬度和强度较高。某设备中，曾采用15CrMo(等同SA-213T11材料)作为换热管(规格为Ø15.88 mm×2.6 mm)，对换热管进行胀接试验时，发现较难完成胀接。从表8可知，低合金钢换热管可应用在亚临界机组，若用于超临界和超超临界机组，则管壁较厚，造成胀接困难，应慎重选用。

3.3 奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢管常被选用为低压加热器换热管，奥氏体不锈钢具有良好的加工性能，受奥氏体不锈钢管“敏化”特性的影响，不能对加热器进行整体热处理，需对壳体及接管焊缝单独进行热处理，当壳体厚度较厚时，局部热处理时存在加热不均匀等问题。

3.4 铁素体不锈钢

SA-803TP439为常用的铁素体不锈钢，在核电高压加热器及分离器(MSR)上有广泛的应用，但该材料具有脆性问题，使用厚度所到限制。据了解，美国某钢厂生产的SA-803TP439钢管，最大厚度仅为2.2 mm，超过此厚度后，材料的脆性将显著增加，当材料厚度达到2.5 mm时，其无塑性转变温度已达到了20 ℃，这种材料性质限制了管材的应用。

按ASME标准中给出的许用应力值，该材料仅能应用于325℃以下。在火电高加的设计方案中，高加的设计温度及换热管厚度均超过了该材料的许用值，因此，该材料不适合应用于火电高压加热器。

4 换热管的传热性能

换热管在高加中承担着传热的任务，因此，在换热计算中，需要着重考虑换热管的传热性能。不同材质换热管的传热性能各不相同，各材料在不同温度下的导热系数，如表9所示。

表9 各材料在不同温度下的导热系数 单位：w/m2·k

由表8可知，SA-556Gr.C2及16Mo3材料的导热系数最高，低合金钢的导热系数次之，而不锈钢的导热系数最小。关于SA-803TP439材料，在ASME材料中并未给出该材料的导热系数，但国内已拥有了该种材料换热管的加热器，并取得了满意的运行效果。

5 换热管运行的可靠性

高压加热器常见的失效模式，是换热管的泄漏。换热管泄漏的原因较为复杂，且与设计、制造及运行等方面均有很大的关系。

5.1 碳钢管

SA-556Gr.C2管材是加热器常用的无缝冷拔碳钢管，在高压加热器中应用广泛。虽然SA-556Gr.C2钢管的耐腐蚀性能不如不锈钢管材，但因高加运行时的介质为净化水，所以运行效果良好。SA-556Gr.C2的金相组织为铁素体+珠光体，晶体为体心立方结构。目前，在高压加热器换热管中，使用最多的就是SA-556Gr.C2材料。据不完全统计，在正常运行及适当维护的工况下，该材料换热管的首次泄漏期限，为投运后7～10年，可见，该材料换热管的可靠性较高。

5.2 低合金钢管

16Mo3、15Mo3低合金钢管材在国内也有应用，该管材同样存在泄漏的问题，实际运行情况与SA-556Gr.C2管材相近。SA-213T11等Cr-Mo材料，很少应用在高压加热器上，目前还没有相关的运行数据。

5.3 不锈钢管

不锈钢换热管的材质主要为奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢。目前，在高加上应用较多的奥氏体不锈钢换热管，是SA-213TP304管材。从理论上分析，不锈钢的耐冲蚀性、抗氧化性及抗腐蚀性能，要强于碳钢SA-556Gr.C2材料，作为高加换热管，应具有更好的运行效果，但实际运行中并非如此。选用SA-213TP304作为高加换热管，在技术及经验上还不成熟。国外660 MW超临界机组的高加，也有采用SA-213TP304不锈钢管作为换热管，有些换热器在1年内出现了不同程度的泄漏，且泄漏位置无规律。对某高加解体后，发现在换热管断口附近位置出现裂纹，疑为应力腐蚀或者晶间腐蚀造成的。经材料分析和试验，换热管的化学成分和力学性能指标均合格。某高加换热管的裂纹，如图1所示。

图1 某高加解体后换热管的裂纹

奥氏体不锈钢属于面心立方结构，易产生晶体的滑移，并形成粗大的滑移台阶，抗应力腐蚀的性能较差，而应力腐蚀破裂是应力作用下腐蚀的基本形式。通常，当应力不存在时，发生的腐蚀非常轻微，但当有应力且应力超过某临界值后，将在腐蚀并不严重的情况下发生材料的脆断。发生应力腐蚀破裂，是材料在使用中失效乃至发生断裂的重要原因。

6 材料对比及计算

换热管作为高压加热器的核心零件，管材的选择，直接关系到高加的后续运行。由分析可知，亚临界机组的压力较低，采用碳钢管、合金钢或不锈钢换热管在厚度上的差别不大，无论采用哪种材料均是可行的，而超临界、超超临界机组的压力较高， 在选取换热管的壁厚上，则有较大的不同，因此，将对加热器制造及运行带来的不同结果。SA-556Gr.C2和16Mo3管材，均已在超超临界机组上得到应用，在设计及制造加工方面均不存在问题。

在超临界和超超临界机组上，常采用合金钢换热管，该材料在理论上具有较好的耐腐蚀和冲蚀性，但需选用较厚的管壁，存在胀接困难等问题。因此，选用合金钢管材时，应考虑管板的接管加工，使换热管与管板接管形成对接，以换热管的对接焊缝质量，确保管子与管板连接的可靠性。

在超临界机组中，若采用不锈钢管料作为高加换热管，还需在计算中考虑某些问题。

(1)不锈钢换热管的壁厚，比采用碳钢管的壁厚增加约30%。

(2)奥氏体不锈钢的传热性能比碳钢和低合金钢要低，且由于选用的壁厚比碳钢厚30%，导致高压加热器的换热面积增大，经统计，约需增加50%。

(3)设备的长度及重量均有增加，增加了运输和安装的难度(不锈钢管3台高加的总重约为420 t，碳钢管高加3台高加的总重约305 t)。

奥氏体不锈钢管对氯离子十分敏感，很低的氯离子含量在短时间内就可对换热管造成严重的腐蚀，这是奥氏体不锈钢致命的缺点。在停机期间，由于水分的蒸发造成氯离子富集，这是难于避免的，恰恰是氯离子造成奥氏体不锈钢管腐蚀的重大因素。尤其是使用海水为水冷介质的机组，当凝汽器发生泄漏时，往往有大量的海水进入给水系统，大量的氯离子将会对不锈钢换热管造成无可挽回的损伤。因此，从经济性和可靠性上考虑，高压加热器的换热管应优先考虑使用碳钢管或低合金钢管，慎用不锈钢换热管。

7 结 语

经对比分析可知，将SA-556Gr.C2和16Mo3材料作为换热管，是高加换热管的首选材料，已积累了大量的制造和运行经验。Cr-Mo型合金钢管虽然比碳钢管更耐冲蚀，耐腐蚀，但欠缺运行经验的支撑，若在超临界以上机组中使用，还需考虑管子的胀接问题。使用不锈钢换热管时，应优先考虑铁素体不锈钢，慎用奥氏体不锈钢。