凝汽器冷卻管在蒸汽側(cè)的腐蝕和防止措施.doc

凝汽器冷卻管在蒸汽側(cè)的腐蝕和防止措施前言凝汽器冷卻管水側(cè)的腐蝕一直為設計、制造和運行人員所迫切關(guān)注和高度防范的焦點問題，然而冷卻管汽側(cè)的腐蝕問題由于種種原因而往往為人們所忽視或遺落，如果對這個問題給予充分的掌握和解決，就可以在汽輪機組的正常運行中可使凝汽器冷卻管在蒸汽側(cè)的腐蝕減少到最低或不發(fā)生。1凝汽器冷卻管蒸汽側(cè)的腐蝕冷卻管蒸汽側(cè)的腐蝕有別于水側(cè)的腐蝕，通常只要在凝汽器的結(jié)構(gòu)設計中給予一定的重視就可以得到較好的使用效果。常見的汽側(cè)腐蝕如下所述。1.1應力腐蝕裂紋發(fā)生在凝汽器水側(cè)的應力腐蝕裂紋也可以發(fā)生在汽側(cè)，它是一種敏感合金在特殊腐蝕介質(zhì)中因拉伸應力加大而緩慢形成的裂紋的一種形式。在凝汽器中僅發(fā)現(xiàn)過銅合金因產(chǎn)生應力腐蝕裂紋而受到的損壞。通常在凝汽器的常規(guī)運行條件下，不銹鋼管和鈦管則不受應力腐蝕裂紋的影響。一般絕大多數(shù)的應力腐蝕裂紋損壞是從冷卻管的汽側(cè)開始的。在每種情況下，應力腐蝕裂紋損壞都僅僅發(fā)生在拉伸應力（殘余的或施加的應力）高得足以引起應力腐蝕裂紋的部位。假定在銅合金管上的某些部位已有足夠高的應力，那么產(chǎn)生應力腐蝕裂紋的第二個先決條件便是可引起裂紋的一種介質(zhì)，如銅基合金在含氨的介質(zhì)中就容易產(chǎn)生。導致銅合金管汽側(cè)應力腐蝕裂紋的介質(zhì)條件是很清楚的，在這里絕大多數(shù)的應力腐蝕裂紋（雖然不是全部）都是由含有溶解氧的氨溶液引起的。尤其是空氣冷卻區(qū)內(nèi)氨的濃度特別高，因此，這里經(jīng)常產(chǎn)生應力腐蝕裂紋。在冷卻管常用的銅合金中，黃銅管在含氨的介質(zhì)里最容易產(chǎn)生應力腐蝕裂紋，海軍黃銅（經(jīng)過或未經(jīng)過緩蝕處理）較多發(fā)生應力腐蝕裂紋。另外，如果在處理過程中避免鐵在銅鎳合金中沉淀，那么銅鎳合金則根本上不受氨所導致的應力腐蝕裂紋的影響。如在空氣冷卻區(qū)中經(jīng)常使用的BFe30-1-1。無論在冷卻管的哪一側(cè)開始產(chǎn)生裂紋，都有一些防止冷卻管產(chǎn)生應力腐蝕裂紋的有效方法。所以在冷卻管的安裝過程中應注意避免脹管越出管板的厚度；應規(guī)定全部消除應力的冷卻管在最終消除應力后要避免彎曲、碰撞和機械沖擊造成的凹痕；使用可耐受應力腐蝕裂紋的合金，是防止汽側(cè)應力腐蝕裂紋的另一種方法，如采用銅鎳合金管、不銹鋼管以及鈦管。凝汽器的任何泄漏都應當迅速確定位置和即刻解決，因為嚴密的凝汽器不僅可大大改進銅合金耐受汽側(cè)應力腐蝕裂紋的性能，還可大大增加耐受凝結(jié)水腐蝕的性能。1.2凝結(jié)水腐蝕導致銅合金冷卻管汽側(cè)產(chǎn)生氨致應力腐蝕裂紋的介質(zhì)條件類型，也是導致凝結(jié)水腐蝕的介質(zhì)條件類型。凝結(jié)水腐蝕亦即氨腐蝕，這種腐蝕多局限于空氣冷卻區(qū)，因為這里的氨和氧的濃度特別高。另外，在同時存在著氧的情況下，這些氨溶液就可以在被接觸的相鄰的銅合金管子上產(chǎn)生圓環(huán)狀的腐蝕深溝（凝結(jié)水腐蝕溝）。氧在凝結(jié)水腐蝕機理中的作用，并不亞于氨所起的作用。漏入凝汽器的空氣不僅提供在凝結(jié)水腐蝕中起關(guān)鍵作用的氧，同時也使CO2漏入凝汽器，而CO2在含氨的凝結(jié)水明顯地加快了銅合金的腐蝕速度。防止氨致應力腐蝕裂紋的許多方法，也可用來防止凝結(jié)水腐蝕。例如，在空氣冷卻區(qū)采用BFe30-1-1的銅合金管，更好的是采用不銹鋼管、鈦管。1.3沖刷腐蝕沖刷腐蝕亦稱汽側(cè)腐蝕，是冷卻管主要損壞形式之一。它主要發(fā)生在直接受到汽輪機排汽沖刷和受到其它排入凝汽器的高能流體的沖刷的外圍冷卻管上。汽側(cè)的耐腐蝕性能與冷卻管的耐腐蝕性能、耐疲勞強度、彈性模數(shù)、硬度和極限強度等有關(guān)，且不銹鋼管、鈦管優(yōu)于銅合金管。蒸汽速度是影響沖刷腐蝕速度的主要參數(shù)，在凝汽器的結(jié)構(gòu)設計中，如能適當?shù)厥蛊鞣稚斫档团牌?、疏水和排氣口附近的蒸汽速度，則可以大大減少或消除沖刷腐蝕；對于大量的汽水快速排放可使用大容量的外置式疏水擴容器?？刂茮_刷腐蝕的另一常用方法，是安裝用耐磨蝕性能更好的材質(zhì)制成擋汽板或護套管。1.4振動損壞在討論凝汽器汽側(cè)腐蝕損壞時，往往將冷卻管的振動損壞歸并進來一起論述。在凝汽器冷卻管發(fā)生振動，當振幅很高時，冷卻管在一種或多種機理作用下可能受到損壞。磨損率高也會促使疲勞損壞或腐蝕疲勞。即使是振幅小的一些冷卻管，也會在靠近中間管板和管板處產(chǎn)生疲勞損壞或微振磨損。流體引起的振動一般局限于凝汽器管束的外圍管子或設計不當造成的窄蒸汽通道兩側(cè)的管子。不管是微振磨損、碰撞損壞、還是疲勞損壞，都可能使大量的冷卻管受到影響。使得現(xiàn)今每臺凝汽器的迎風面三排管子采用厚壁管。冷卻管振動原因是設計失誤使中間管板跨距過大或高能流體流入口處的導流板不能使流體有效地分散所造成。1.5汽側(cè)腐蝕與凝汽器負荷、結(jié)構(gòu)的關(guān)系在絕大部分或許多情況下，冷卻管蒸汽側(cè)會受到來自汽輪機低壓缸排汽的高速濕蒸汽流的浸蝕，但是總的來看，冷卻管蒸汽側(cè)的腐蝕嚴重程度是與凝汽器的負荷有關(guān)系的。上述事故的發(fā)生，在考慮汽輪機低壓缸排汽部分尺寸和布置以及凝汽器的位置時就會遇到這個問題，基本上冷卻管和凝汽器的結(jié)構(gòu)部分的腐蝕與低壓缸排出的蒸汽速度和蒸汽中水份的含量有很大的關(guān)系。當然，這也是與所受沖擊部分的材質(zhì)表面硬度熱處理有關(guān)。但是，由于凝汽器結(jié)構(gòu)所造成的局部蒸汽速度過高和局部高速流動的水滴數(shù)量則是尤為重要。由于蒸汽速度與絕對壓力成反比，所以壓力的數(shù)值大小是非常重要的。由此可知，當凝汽器循環(huán)冷卻水入口溫度較低時，就會造成凝汽器蒸汽側(cè)較低的壓力和較高的排汽速度。汽輪機低壓缸排汽部份與管束上面頂排冷卻管之間的凝汽器喉部最好是盡量做到呈擴散形。在排汽膨脹很急劇的部位，高速汽流不能夠有折轉(zhuǎn)并應是很好地充滿整個流道的橫截面。凝汽器頂排冷卻管是蒸汽側(cè)發(fā)生腐蝕最為嚴重的部位。2近代技術(shù)發(fā)展趨勢必須研究以提供必要的布置方案和結(jié)構(gòu)來適應和滿足大功率汽輪機組的發(fā)展。與低壓缸排汽速度變化有關(guān)的一些影響因素可以歸納為：凝汽器的合適的漸擴形進汽口（喉部），汽輪機低壓缸排汽口與凝汽器最上面頂排冷卻管子之間的距離。低壓缸排汽口與凝汽器管束的排列形狀和尺寸，凝汽器管束和汽輪機低壓缸的布置和相對位置，以及低壓缸的擴壓部分結(jié)構(gòu)等等。為進入凝汽器的高速蒸汽流動分布制造了無法回避的負面影響，增大了排汽流動的壓力損失，也加劇了冷卻管蒸汽側(cè)的浸蝕程度。另外一個值得注意的問題是依據(jù)高能流體排入表面式凝汽器的推薦設計準則（美國電力研究所），大量的疏水、排汽涌入凝汽器，使凝汽器必然成為各種水、汽的匯集點，它們最終影響了低壓缸排汽流動形狀、速度，增加的水滴數(shù)量勢必更加嚴重地加速了蒸汽側(cè)冷卻管的浸蝕。3附加流體向凝汽器的排放為了滿足電廠熱力循環(huán)系統(tǒng)的需要和節(jié)約工質(zhì)，凝汽器除了接收汽輪機正常排汽外，還要接收各種附加流體（疏水、補水、再循環(huán)水和汽水混合物）。在過去相當長的一段時間內(nèi)，人們由于對附加流體排入凝汽器的嚴重問題缺乏認識和設計、運行上的疏忽大意，嚴重地導致了凝汽器冷卻管和某些零部件被沖擊浸蝕，造成過量的熱變形，甚至冷卻管的高速蒸汽流和水滴致使振動損壞和浸蝕泄漏等一系列事故的發(fā)生。在大型凝汽器的設計、運行中，由于附加流體的排入所造成的一系列典型事故，其主要原因如下所述。凝汽器局限在一個有限的空間內(nèi)，而喉部還得布置眾多不同尺寸、大小的設備。于是，喉部所剩余的空間一般就難于滿足布置附加流體排入裝置和附加流體安全擴散的合理要求。沒有使用正確的計算方法或者沒有遵照合理的設計原則，又沒能確切地掌握或者低估了附加流體的排入?yún)?shù)。當水和蒸汽混合排入時沒有給予充分的重視。挾帶眾多水滴的高速兩相流對冷卻管和相關(guān)部件的沖擊浸蝕危害極大。沒有依據(jù)附加流體能級的高低正確地選擇排入位置，主要表現(xiàn)為：排入流體的擴散方向正對著冷卻管，而又沒有或無法裝設有效的擋板。排入流體的擴散距離不夠，使其沖在凝汽器內(nèi)的構(gòu)件上時的能量仍過大；附加流體排入系統(tǒng)控制部分失調(diào)。處理附加流體排入凝汽器的主要原則應是盡可能減輕乃至避免附加流體（冷水、飽和水或過熱水、閃蒸混合物、飽和蒸汽或過熱蒸汽）特別是高能級附加流體排入凝汽器時對其構(gòu)件（含冷卻管）發(fā)生的沖擊浸蝕的破壞作用。在某些特定的情況下，還必須專門設置獨立于凝汽器之外或附設在凝汽器殼體壁上的閃蒸箱。此外，在處理附加流體排入問題時，一定要使排入附加流體的熱負荷盡可能比較均勻地分布于冷卻管束上。尤其是核電站汽輪機要求100旁路的減溫減壓器全部蒸汽排入到凝汽器喉部，并且汽輪機啟動、運行和停機過程中全部疏水也要排入凝汽器（或經(jīng)疏水擴容器）。為了確保附加流體排入凝汽器的安全可靠性，需要對排入流體的動能加以限制。還應當考慮流體排入的運行方式，其中最為重要的是要區(qū)分附加流體是連續(xù)地還是間斷地或是短暫地排入凝汽器。4凝汽器蒸汽側(cè)腐蝕的預防措施為防止低壓缸高速排汽流挾帶高速水滴沖擊浸蝕管束頂排（通常取為三排），冷卻管可采用管壁加厚的厚壁管，這也對頂排冷卻管避免引發(fā)的激振帶來相應的好處。眾所周知，凝汽器冷卻管的壁厚是由于冷卻管材質(zhì)的腐蝕壽命確定的，并不是由強度條件決定的。就蒸汽側(cè)的殼體部份的腐蝕來看，通?？稍谀鞯暮聿吭O置導流板，以重新安排高速汽流的形狀，尤其不可忽視冬季冷卻水溫度較低而引起的蒸汽速度較高的問題。對于附加流體向凝汽器排入引起的沖擊浸蝕主要是通過布置的擋板或分流集管。擋板的位置和尺寸大小的正確設計可以避免附加流體沖出后對冷卻管的損壞。應對進入擋板區(qū)域的最大汽流速度做到正確計算，以校核該擋板設計的準確性。正確計算冷卻管避免振動的公式可以求得凝汽器中間管板的最小間距。但是在凝汽器設計中，應高度注重冷卻管束的排列。蒸汽流中水滴的分布情況對冷卻管的腐蝕甚是重要，但對冷卻管的受迫振動來說，蒸汽流的汽流分布情況卻是更重要的。5