1目前,國內(nèi)電廠300MW、600MW及以上機(jī)組中高壓加熱器換熱管選用的材質(zhì)主要有SA-556C2、15D3、SA556B2、不銹鋼SA688TP304等。其中SA-556C2使用最普遍,因此對這些材料的化學(xué)成分、機(jī)械性能和使用條件作以下說明。
    (1)15D3是法國鋼管標(biāo)準(zhǔn)NFA49-215中的一個(gè)鋼號(hào),其合金元素只有Mo,平均含量為0 30%,其它的Cr、Ni、Cu、Sn、Al等元素都是殘余元素,不控制下限。和它相當(dāng)?shù)匿摴苡械聡鴺?biāo)準(zhǔn)DIN17175的15Mo3和中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB5310的15MoG,在美國ASME規(guī)范允許選用的材料目錄中沒有和15D3相當(dāng)?shù)牟牧�。ASME鋼管SA-556C2是給水加熱器專用的無縫冷拔低碳鋼管。按ASME規(guī)范VIII-1篇規(guī)定,SA-556C2的使用溫度最高為800 (426 7℃)。
  (2)兩個(gè)鋼號(hào)化學(xué)成分比較:NFA49-21515D3的C含量上限為0 22%,SA-566C2的C含量上限為0 30%,但采購SA-556C2鋼管時(shí),一般將C含量控制在較低水平,實(shí)際制造的產(chǎn)品一般C含量控制在0 17%～0 19%。而15D3含有0 30%的Mo,這對焊接是很不利的,如果再有較高的Cr、Ni等殘余元素,將對焊接更不利。
  (3)力學(xué)性能比較:SA-556C2的力學(xué)性能,不管是常溫還是高溫,普遍都比15D3高,由此可見相同溫度下的許用應(yīng)力也是SA-556C2比15D3高,而且它們的耐沖蝕性應(yīng)和其力學(xué)性能有正相關(guān)性,也就是說SA556C2的耐沖蝕性能比15D3好。
  (4)15D3是法國標(biāo)準(zhǔn)NFA49-215中的一個(gè)牌號(hào),現(xiàn)在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已被歐洲共同體標(biāo)準(zhǔn)EN10216-2代替,相應(yīng)的牌號(hào)為16Mo3。15D3或16Mo3受控制的合金元素只有Mo,其它Cr、Ni等元素都是殘余元素,有人認(rèn)為進(jìn)口的15D3鋼管同時(shí)含有0 3%Mo、0 3%Cr和0 3%Ni,從而提高了它的性能,這只是一種誤解。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Cr、Ni控制在0 3%以下,法國VALLOUREC集團(tuán)下專門生產(chǎn)熱交換管的瓦盧瑞克精密鋼管公司(VallourecPrecisonEtirage公司,簡稱VPE)公司則能控制在0 15%以下。如果要把Cr作為合金元素可選用EN10216-2的13CrMo4-5鋼管,但這種情況不多見。

  2關(guān)于換熱管的設(shè)計(jì)溫度選用
  根據(jù)HE1標(biāo)準(zhǔn),管側(cè)最大設(shè)計(jì)溫度是相應(yīng)于殼側(cè)設(shè)計(jì)壓力時(shí)的飽和蒸汽溫度。當(dāng)具有過熱蒸汽冷卻段時(shí),該段內(nèi)直管段的溫度要比相應(yīng)于殼側(cè)設(shè)計(jì)壓力時(shí)的飽和蒸汽溫度高35 (19 4℃)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算超臨界600MW機(jī)組高加管側(cè)設(shè)計(jì)溫度一般最高為325℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于HE1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的碳素鋼換熱管(如SA-556C2)的最高金屬溫度800 (426 7℃)。在ASMEVIII-1篇UG-20中關(guān)于設(shè)計(jì)溫度選用規(guī)定:零件在設(shè)計(jì)時(shí)所采用的最高溫度不應(yīng)低于零件在操作狀態(tài)下預(yù)期的平均金屬溫度(以整個(gè)厚度考慮)。以600MW超臨界機(jī)組3號(hào)高加為例(3號(hào)高加抽汽溫度最高),根據(jù)汽機(jī)熱力平衡圖和高加過熱蒸汽冷卻段的特點(diǎn),如果以給水端差0℃考慮,正常工況下給水進(jìn)出過熱段的溫度為216 4℃、220 7℃,蒸汽進(jìn)、出過熱段的溫度為475 6℃、261 86℃,根據(jù)過熱段傳熱管內(nèi)外的污垢、液膜和金屬熱阻,計(jì)算出3號(hào)高加過熱段進(jìn)口區(qū)換熱管表面的平均金屬溫度為236 6℃,故換熱管的溫度是不可能達(dá)到蒸汽進(jìn)口溫度。

  3傳熱管材質(zhì)的性能與高加的壽命有關(guān)
  但對于汽輪機(jī)給水加熱器來說,不僅僅是材質(zhì)問題,傳熱管進(jìn)口處的渦流問題、過熱蒸汽冷卻段進(jìn)口處的蒸汽流速、過熱蒸汽冷卻段出口的蒸汽溫度和縱向、橫向流速及疏水冷卻段進(jìn)口疏水流速的控制和避免各處汽液二相流對傳熱管的沖蝕都是主要損壞原因。因?yàn)槿绻�由于設(shè)計(jì)原因造成某處發(fā)生汽液二相流,那末損壞速度是很快的,而且不管是碳鋼管、合金鋼管、甚至不銹鋼管,都將很快沖蝕損壞,以至高加失效。

  4關(guān)于高加中使用不銹鋼換熱管
  換熱管材質(zhì)的選用,首先要滿足性能、可靠性和使用壽命,再者比較價(jià)格。高壓加熱器的換熱介質(zhì):給水、蒸汽,給水經(jīng)過除氧水質(zhì)較好,從汽輪機(jī)來的蒸汽也很清潔,所以國內(nèi)火電機(jī)組高加上一般均采用碳鋼管。核電機(jī)組由于其抽汽參數(shù)壓力較低,濕度大,不銹鋼換熱管雖然屈服強(qiáng)度低,但其抗拉強(qiáng)度卻較高,其耐沖蝕性能優(yōu)于碳鋼管,從安全的角度考慮核電機(jī)組都采用不銹鋼換熱管。近期有項(xiàng)目要求火電機(jī)組高加使用不銹鋼換熱管,因此對高加使用要求不銹鋼與碳鋼換熱管高加做個(gè)對比:
  (1)不銹鋼傳熱性能差,同樣300MW機(jī)組高加熱交換面積要增加20%～30%左右。
  (2)不銹鋼換熱管的屈服強(qiáng)度低,300MW機(jī)組給水壓力、換熱管徑不變的情況下,管子厚度要增加30%左右,而不銹鋼換熱管厚度超過1 8m