凝汽器是发动机的一部分，凝汽器能否正常运行直接关系着整个发动机的运行状况，本文主要对凝汽器冷却管选材进行分析与研究。
《车用发动机》(双月刊)，1978年创刊，是由中国北方发动机研究所主办的技术刊物，为全国中文核心期刊，中国科技核心期刊，中国核心期刊(遴选)数据库、中国期刊全文数据库、万方数据—数字化期刊群和中国科技期刊数据库收录期刊，中国科学引文数据库和中国学术期刊综合评价数据库来源期刊，山西省一级期刊。
凝汽器是凝汽式或抽汽凝汽式汽轮发电机组的重要辅机设备,凝汽器的运行情况的优劣直接影响到整个机组的正常运行。而冷却管腐蚀是影响凝汽器安全稳定运行的一个主要隐患。
我厂两台6MW机组均配用的是N-560型凝汽器,冷却管采用的是Φ20×1的黄铜管,材质为HSn70-1A。两台机组运行至今已有近九年的时间,凝汽器的冷却管出现了大面积的泄漏现象,已经严重影响机组的安全运行,虽经过部分换管,但问题始终不能从根本上解决。所以我们决定对凝汽器进行换管,并考虑对冷却管进行重新选材。
目前,国内凝汽器冷却管采用的管材主要有黄铜、白铜、钛合金和不锈钢等。钛合金作为冷却管的新型工程材料,对各种水质都具有极强的耐蚀性。作为最耐腐蚀的结构金属,其密度小、强度高,并且在沸水环境的研究中,钛的腐蚀阻力显着地高于铜镍合金。在其他材料不能耐受侵蚀的情况下,钛可以说是最佳选择。由于钛管价格昂贵及安装费高,西方国家和我国都只限于滨海电站和核电站中应用,连接造成的电偶腐蚀和管内结垢仍有待解决,这些都限制了它的全面推广。因此下面只对白铜、黄铜和不锈钢进行比较。
1.材料性能
国内外常用的铜管和不锈钢管的化学成分、物理和机械性能见下表1。
可以看出,不锈钢管从材料性能上有以下几个优点:
1)不锈钢管材料的强度大于铜管,从而提高冷却水管在运行过程中对汽侧的高速蒸汽及水滴的抗冲击能力。
2)不锈钢管的弹性模量大于铜管,表明其抗拉强度好,线膨胀系数低于普通铜管,减少来自内部的应力。
3)不锈钢管抗结垢能力强,因为污垢层与不锈钢的热胀系数差别很大,当受热时,由于线型曲率变化不等而自动脱落。
4)在凝汽器的空气冷却区内,经常积聚一些不凝气体,主要由氨气、二氧化碳等,铜管对氨气产生的腐蚀极为敏感,造成氨腐蚀。相反,不锈钢管抗氨腐蚀能力很强。
5)由于不锈钢的抗拉强度和屈服强度较大,所以不锈钢的使用寿命也相应的延长,一般不锈钢管的使用寿命在20年左右,而铜管的使用寿命只有10年左右。
2.传热效果:
虽然从铜和不锈钢材料的导热率看,铜的导热率是不锈钢的10倍,但热交换器总的传热系数是由多个因素决定的。热交换器的传热过程如下:
在以上的三个传热过程中,除铜的导热率比不锈钢高以外,不锈钢管在以下的几个方面具备优势:
1)不锈钢管和铜管相比高粗糙度的金属表面不会形成稳定的水膜,出就是说水膜热阻较小,增强了蒸汽与管外壁的换热效果。
2)因不锈钢的强度较大,同规格的管子可做的比铜管薄,这样以来管子的导热效果也得到相应的提高。
3)因为不锈钢管的壁厚较薄,其相应的内表面积也比同直径的铜管大,因此其对流换热效果也相应提高。
综合以上的几个方面,通过计算可知,采用薄壁不锈钢管的凝汽器和采用铜管的凝汽器换热效果基本相当。
3.经济性。
目前,国内凝汽器用薄壁不锈钢焊接管的技术已日益成熟,其价格也有了大幅度的下降,采用同规格的薄壁不锈钢和采用铜管时的价格相差甚微。
2008年6月份,我厂对2号汽轮机凝汽器进行了换管,冷却管采用Φ20×0.7的TP304不锈钢管。经过一段时间的试运行,发现机组带满负荷运行时,排汽温度、凝汽器端差等参数和换管前比较没有明显的变化,说明此次用不锈钢管替代铜管是成功的。
不锈钢虽然有耐腐蚀、寿命长等优点,但它对冷却水中的Cl-比较敏感,如控制不当易造成管子的点蚀。在Cl-小于200mg/L的淡水中应用可选用TP304或TP304L,在Cl-大于200mg/L的淡水中则应选用TP316或TP316L。总之,和铜管比较不锈钢管有一定的优越性,在凝汽器的应用中不锈钢管替代铜管将是一个发展趋势。
