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凝汽器冷却管在蒸汽侧的腐蚀和防止措施

发布时间：2009/6/10 阅读次数：827 字体大小: 【小】【中】【大】

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凝汽器冷却管在蒸汽侧的腐蚀和防止措施

于传平　杨振海　梁克寒

　　【摘要】介绍了凝汽器冷却管在蒸汽侧发生腐蚀的工作机理，不但与低压缸的高速排汽流和凝汽器的负荷有关，还与冷却管的材质和某些结构有关，也与附加流动的正确排入有关。防止措施的正确实施可以完全杜绝冷却管在凝汽器蒸汽侧的腐蚀。
　　关键词：凝汽器　冷却管　汽侧
　　分类号：TK264.1⁺1

Corrosion on Steam Side of Condenser Cooling Tube
and Prevention Measures

Yu Chuanping　Yang Zhenhai　Liang Kehan
(Harbin Turbine Company Limited)

　　Abstract:The paper introduces corrosion mechanism on setam side of condenser cooling tube that is concerned with high velocity exhaust flow and condenser load, but also tube material, condenser stucture and right incoming of attached fluid. Corrosion can be avoided absolutely by means of suitable prevention measures.
　　Key words:condenser　steam side　cooling tube

0　前　言
　　凝汽器冷却管水侧的腐蚀一直为设计、制造和运行人员所迫切关注和高度防范的焦点问题，然而冷却管汽侧的腐蚀问题由于种种原因而往往为人们所忽视或遗落，如果对这个问题给予充分的掌握和解决，就可以在汽轮机组的正常运行中可使凝汽器冷却管在蒸汽侧的腐蚀减少到最低或不发生。

1　凝汽器冷却管蒸汽侧的腐蚀
　　冷却管蒸汽侧的腐蚀有别于水侧的腐蚀，通常只要在凝汽器的结构设计中给予一定的重视就可以得到较好的使用效果。常见的汽侧腐蚀如下所述。
1.1　应力腐蚀裂纹
　　发生在凝汽器水侧的应力腐蚀裂纹也可以发生在汽侧，它是一种敏感合金在特殊腐蚀介质中因拉伸应力加大而缓慢形成的裂纹的一种形式。
　　在凝汽器中仅发现过铜合金因产生应力腐蚀裂纹而受到的损坏。通常在凝汽器的常规运行条件下，不锈钢管和钛管则不受应力腐蚀裂纹的影响。一般绝大多数的应力腐蚀裂纹损坏是从冷却管的汽侧开始的。在每种情况下，应力腐蚀裂纹损坏都仅仅发生在拉伸应力（残余的或施加的应力）高得足以引起应力腐蚀裂纹的部位。
　　假定在铜合金管上的某些部位已有足够高的应力，那么产生应力腐蚀裂纹的第二个先决条件便是可引起裂纹的一种介质，如铜基合金在含氨的介质中就容易产生。
　　导致铜合金管汽侧应力腐蚀裂纹的介质条件是很清楚的，在这里绝大多数的应力腐蚀裂纹（虽然不是全部）都是由含有溶解氧的氨溶液引起的。尤其是空气冷却区内氨的浓度特别高，因此，这里经常产生应力腐蚀裂纹。
　　在冷却管常用的铜合金中，黄铜管在含氨的介质里最容易产生应力腐蚀裂纹，海军黄铜（经过或未经过缓蚀处理）较多发生应力腐蚀裂纹。另外，如果在处理过程中避免铁在铜镍合金中沉淀，那么铜镍合金则根本上不受氨所导致的应力腐蚀裂纹的影响。如在空气冷却区中经常使用的BFe30-1-1。
　　无论在冷却管的哪一侧开始产生裂纹，都有一些防止冷却管产生应力腐蚀裂纹的有效方法。所以在冷却管的安装过程中应注意避免胀管越出管板的厚度；应规定全部消除应力的冷却管在最终消除应力后要避免弯曲、碰撞和机械冲击造成的凹痕；使用可耐受应力腐蚀裂纹的合金，是防止汽侧应力腐蚀裂纹的另一种方法，如采用铜镍合金管、不锈钢管以及钛管。
　　凝汽器的任何泄漏都应当迅速确定位置和即刻解决，因为严密的凝汽器不仅可大大改进铜合金耐受汽侧应力腐蚀裂纹的性能，还可大大增加耐受凝结水腐蚀的性能。
1.2　凝结水腐蚀
　　导致铜合金冷却管汽侧产生氨致应力腐蚀裂纹的介质条件类型，也是导致凝结水腐蚀的介质条件类型。凝结水腐蚀亦即氨腐蚀，这种腐蚀多局限于空气冷却区，因为这里的氨和氧的浓度特别高。
　　另外，在同时存在着氧的情况下，这些氨溶液就可以在被接触的相邻的铜合金管子上产生圆环状的腐蚀深沟（凝结水腐蚀沟）。
　　氧在凝结水腐蚀机理中的作用，并不亚于氨所起的作用。
　　漏入凝汽器的空气不仅提供在凝结水腐蚀中起关键作用的氧，同时也使CO₂漏入凝汽器，而CO₂在含氨的凝结水明显地加快了铜合金的腐蚀速度。
　　防止氨致应力腐蚀裂纹的许多方法，也可用来防止凝结水腐蚀。例如，在空气冷却区采用BFe30-1-1的铜合金管，更好的是采用不锈钢管、钛管。
1.3　冲刷腐蚀
　　冲刷腐蚀亦称汽侧腐蚀，是冷却管主要损坏形式之一。它主要发生在直接受到汽轮机排汽冲刷和受到其它排入凝汽器的高能流体的冲刷的外围冷却管上。
　　汽侧的耐腐蚀性能与冷却管的耐腐蚀性能、耐疲劳强度、弹性模数、硬度和极限强度等有关，且不锈钢管、钛管优于铜合金管。
　　蒸汽速度是影响冲刷腐蚀速度的主要参数，在凝汽器的结构设计中，如能适当地使汽流分散来降低排汽、疏水和排气口附近的蒸汽速度，则可以大大减少或消除冲刷腐蚀；对于大量的汽水快速排放可使用大容量的外置式疏水扩容器。
　　控制冲刷腐蚀的另一常用方法，是安装用耐磨蚀性能更好的材质制成挡汽板或护套管。
1.4　振动损坏
　　在讨论凝汽器汽侧腐蚀损坏时，往往将冷却管的振动损坏归并进来一起论述。
　　在凝汽器冷却管发生振动，当振幅很高时，冷却管在一种或多种机理作用下可能受到损坏。磨损率高也会促使疲劳损坏或腐蚀疲劳。即使是振幅小的一些冷却管，也会在靠近中间管板和管板处产生疲劳损坏或微振磨损。
　　流体引起的振动一般局限于凝汽器管束的外围管子或设计不当造成的窄蒸汽通道两侧的管子。不管是微振磨损、碰撞损坏、还是疲劳损坏，都可能使大量的冷却管受到影响。使得现今每台凝汽器的迎风面三排管子采用厚壁管。
　　冷却管振动原因是设计失误使中间管板跨距过大或高能流体流入口处的导流板不能使流体有效地分散所造成。
1.5　汽侧腐蚀与凝汽器负荷、结构的关系
　　在绝大部分或许多情况下，冷却管蒸汽侧会受到来自汽轮机低压缸排汽的高速湿蒸汽流的浸蚀，但是总的来看，冷却管蒸汽侧的腐蚀严重程度是与凝汽器的负荷有关系的。
　　上述事故的发生，在考虑汽轮机低压缸排汽部分尺寸和布置以及凝汽器的位置时就会遇到这个问题，基本上冷却管和凝汽器的结构部分的腐蚀与低压缸排出的蒸汽速度和蒸汽中水份的含量有很大的关系。当然，这也是与所受冲击部分的材质表面硬度热处理有关。但是，由于凝汽器结构所造成的局部蒸汽速度过高和局部高速流动的水滴数量则是尤为重要。
　　由于蒸汽速度与绝对压力成反比，所以压力的数值大小是非常重要的。由此可知，当凝汽器循环冷却水入口温度较低时，就会造成凝汽器蒸汽侧较低的压力和较高的排汽速度。
　　汽轮机低压缸排汽部份与管束上面顶排冷却管之间的凝汽器喉部最好是尽量做到呈扩散形。在排汽膨胀很急剧的部位，高速汽流不能够有折转并应是很好地充满整个流道的横截面。凝汽器顶排冷却管是蒸汽侧发生腐蚀最为严重的部位。

2　近代技术发展趋势
　　必须研究以提供必要的布置方案和结构来适应和满足大功率汽轮机组的发展。
　　与低压缸排汽速度变化有关的一些影响因素可以归纳为：
　　凝汽器的合适的渐扩形进汽口（喉部），汽轮机低压缸排汽口与凝汽器最上面顶排冷却管子之间的距离。
　　低压缸排汽口与凝汽器管束的排列形状和尺寸，凝汽器管束和汽轮机低压缸的布置和相对位置，以及低压缸的扩压部分结构等等。为进入凝汽器的高速蒸汽流动分布制造了无法回避的负面影响，增大了排汽流动的压力损失，也加剧了冷却管蒸汽侧的浸蚀程度。
　　另外一个值得注意的问题是依据《高能流体排入表面式凝汽器的推荐设计准则》（美国电力研究所），大量的疏水、排汽涌入凝汽器，使凝汽器必然成为各种水、汽的汇集点，它们最终影响了低压缸排汽流动形状、速度，增加的水滴数量势必更加严重地加速了蒸汽侧冷却管的浸蚀。

3　附加流体向凝汽器的排放
　　为了满足电厂热力循环系统的需要和节约工质，凝汽器除了接收汽轮机正常排汽外，还要接收各种附加流体（疏水、补水、再循环水和汽水混合物）。在过去相当长的一段时间内，人们由于对附加流体排入凝汽器的严重问题缺乏认识和设计、运行上的疏忽大意，严重地导致了凝汽器冷却管和某些零部件被冲击浸蚀，造成过量的热变形，甚至冷却管的高速蒸汽流和水滴致使振动损坏和浸蚀泄漏等一系列事故的发生。
　　在大型凝汽器的设计、运行中，由于附加流体的排入所造成的一系列典型事故，其主要原因如下所述。凝汽器局限在一个有限的空间内，而喉部还得布置众多不同尺寸、大小的设备。于是，喉部所剩余的空间一般就难于满足布置附加流体排入装置和附加流体安全扩散的合理要求。
　　没有使用正确的计算方法或者没有遵照合理的设计原则，又没能确切地掌握或者低估了附加流体的排入参数。
　　当水和蒸汽混合排入时没有给予充分的重视。挟带众多水滴的高速两相流对冷却管和相关部件的冲击浸蚀危害极大。
　　没有依据附加流体能级的高低正确地选择排入位置，主要表现为：
　　排入流体的扩散方向正对着冷却管，而又没有或无法装设有效的挡板。
　　排入流体的扩散距离不够，使其冲在凝汽器内的构件上时的能量仍过大；
　　附加流体排入系统控制部分失调。
　　处理附加流体排入凝汽器的主要原则应是尽可能减轻乃至避免附加流体（冷水、饱和水或过热水、闪蒸混合物、饱和蒸汽或过热蒸汽）特别是高能级附加流体排入凝汽器时对其构件（含冷却管）发生的冲击浸蚀的破坏作用。在某些特定的情况下，还必须专门设置独立于凝汽器之外或附设在凝汽器壳体壁上的闪蒸箱。
　　此外，在处理附加流体排入问题时，一定要使排入附加流体的热负荷尽可能比较均匀地分布于冷却管束上。
　　尤其是核电站汽轮机要求100％旁路的减温减压器全部蒸汽排入到凝汽器喉部，并且汽轮机启动、运行和停机过程中全部疏水也要排入凝汽器（或经疏水扩容器）。
　　为了确保附加流体排入凝汽器的安全可靠性，需要对排入流体的动能加以限制。还应当考虑流体排入的运行方式，其中最为重要的是要区分附加流体是连续地还是间断地或是短暂地排入凝汽器。

4　凝汽器蒸汽侧腐蚀的预防措施
　　为防止低压缸高速排汽流挟带高速水滴冲击浸蚀管束顶排（通常取为三排），冷却管可采用管壁加厚的厚壁管，这也对顶排冷却管避免引发的激振带来相应的好处。众所周知，凝汽器冷却管的壁厚是由于冷却管材质的腐蚀寿命确定的，并不是由强度条件决定的。
　　就蒸汽侧的壳体部份的腐蚀来看，通常可在凝汽器的喉部设置导流板，以重新安排高速汽流的形状，尤其不可忽视冬季冷却水温度较低而引起的蒸汽速度较高的问题。
　　对于附加流体向凝汽器排入引起的冲击浸蚀主要是通过布置的挡板或分流集管。挡板的位置和尺寸大小的正确设计可以避免附加流体冲出后对冷却管的损坏。应对进入挡板区域的最大汽流速度做到正确计算，以校核该挡板设计的准确性。
　　正确计算冷却管避免振动的公式可以求得凝汽器中间管板的最小间距。但是在凝汽器设计中，应高度注重冷却管束的排列。蒸汽流中水滴的分布情况对冷却管的腐蚀甚是重要，但对冷却管的受迫振动来说，蒸汽流的汽流分布情况却是更重要的。

5　结　论
　　综上所述，防止、减小冷却管蒸汽侧的腐蚀应在喉部结构、空间允许的情况下，使低压缸排汽，尤其是顶排迎风面的冷却管处的流速及中间、侧面蒸汽通道最窄处的流速限制在允许的范围内，特别注意要避免局部高速的出现。同时对喉部附加流体的排入引起高度的重视，正确计算和合理采用挡板结构，使高速汽流和水滴不直接射向冷却管尤为重要。消除过大的冷却管应力、合理组织凝结水的流动和准确的冷却管振动计算皆不可少。

作者单位；（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司）

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