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肥力鐵439不銹鋼管在給水加熱器中的應用

肥力鐵439不銹鋼管在給水加熱器中的應用

劉爾靜(上海電氣電站設備有限公司上海電站輔機廠,上海200090)
 
摘要:文中論述了肥力鐵439管的特質,這種不銹鋼管相比傳統奧氏體不銹鋼管具有價格優勢,國外核電機組的高壓加熱器換熱管,已經普遍使用這種管材,取得了良好的運行業績。為進一步提高加熱器的使用壽命及可靠性,同時,在鎳供應相對緊張及鎳價高漲情况下,研究肥力鐵不銹鋼管替代碳鋼或奧氏體不銹鋼具有一定的現實意義。
 
關鍵字:肥力鐵;奧氏體;不銹鋼;換熱器;傳熱管;替代;電站;應用
 
1概述
高壓加熱器、低壓加熱器、凝汽器是汽輪發電機組中重要的輔機設備,這些換熱器的效能和運行可靠性,將直接影響發電機組整體運行的經濟性和安全性。隨著我國電力工業的迅速發展,高參數,大容量機組數量不斷增加。參數提高,容量增大,也使換熱器的尺寸越來越大,同時也新增了設計、製造的難度。頻繁的啟停和急劇的負荷變化,使換熱器的運行工况越來越惡劣。換熱器投運率低的問題就成了影響機組等效可用率的重要原因之一。換熱器的故障停用,均會使機組的經濟性和出力受到影響。造成換熱器投運率低和損壞的原因是多方面的。經各種停運的資料統計,換熱器管系洩漏使換熱器故障停運所占比重最大,而換熱管被沖蝕和各類腐蝕是造成管系洩漏的最主要原因。
 
2換熱管的選材
國內電站換熱器使用的換熱管主要有碳鋼管、不銹鋼管、鈦管和黃銅管等。碳鋼管的抗腐蝕特性較差,對沖蝕也極其敏感,同碳鋼管相比較而言,不銹鋼換熱管在耐沖蝕、耐腐蝕性方面有著無法比擬的優越性,可延長換熱器的運行壽命,但目前國內大量使用的奧氏體不鏽鋼管高昂的價格,又往往使電廠用戶望而卻步,且其材質對應力腐蝕也極其敏感,制約了以不銹鋼換熱管在高壓加熱器等傳統碳鋼管領域的發展。肥力鐵不銹鋼換熱管,以ASME SA803 TP439為例,其傳熱效能優於奧氏體不銹鋼,硬度高,具有優良的抗砂蝕和抗進口端磨損的能力,並且不含鎳,相比傳統奧氏體不銹鋼具有價格優勢,國外核電機組中的高加已普遍使用這種管材,並取得良好的運行業績。為了進一步提高加熱器的使用壽命及可靠性,同時在鎳供應相對緊張及鎳價高漲情况下,研究肥力鐵不銹鋼管替代碳鋼或奧氏體不銹鋼的可行性具有一定的現實意義。
 
3. 肥力鐵不銹鋼的應用與發展
肥力鐵不銹鋼作為1種不含鎳的鉻不銹鋼,在使用狀態下,是以肥力鐵組織為主的不銹鋼,含鉻量在11 %~30 %,同時含有少量的Mo、Ti、Nb等元素,呈體心立方晶體結構。肥力鐵不銹鋼具有導熱係數大,膨脹係數小、抗氧化性好、抗應力腐蝕優良等特點。多用於製造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件。現時,已開發國家的不銹鋼消費中,肥力鐵鋼的使用比例比中國高很多。國產肥力鐵不銹鋼發展緩慢與其效能有很大關係,傳統的肥力鐵不銹鋼存在塑性差、焊後塑性和耐蝕性明顯降低等缺點,因而限制了它的應用。以前,由於冶煉科技的限制,肥力鐵不銹鋼在深沖、防腐、焊接效能上達不到材質要求,只能採用含鎳不銹鋼。伴隨冶金科技的不斷改進,爐外精煉、連鑄連紮、連續退火工藝的應用,以及設備的大型化,肥力鐵不銹鋼材質的各方面效能現已被大幅度提高。高鉻系列不銹鋼因含鉬較高,在抗氯和强酸性條件下比奧氏體不銹鋼具有更大優勢,在很多領域可與奧氏體不銹鋼互換使用。類似典型奧氏體不銹鋼通常稱作300系列不銹鋼,肥力鐵不銹鋼牌號在ASTM標準中以4開頭,故一般統稱為400系列不銹鋼,JIS,ASTM,EN概括了普通成分的肥力鐵不銹鋼,即11 %Cr(409,410),18 %Cr(430,436,439,444),22 %Cr(445)以及30 %Cr(447)等,其中一些牌號含有穩定元素鈦和鈮。鉻含量的多少旨在平衡耐腐蝕性及韌性。這些鋼種允許碳及氮的含量在0.01 %~0.03 %之間。而鈮和鈦的添加量在8(C + N)%~0. 8 %之間,固溶碳和氮,以利穩定化處理。Cr含量17 %肥力鐵不銹鋼是文中研究的重點,其詳細化學成分如錶1。
錶1 GB、EN和ASME等標準中含Cr 17 %的肥力鐵不銹鋼化學成分對照(%)
400系列不銹鋼已成熟應用在許多工業領域。已開發出有優异成形性肥力鐵不銹鋼、高耐蝕性肥力鐵不銹鋼,超純肥力鐵不銹鋼、食品加工用抗菌肥力鐵不銹鋼,超高溫性肥力鐵耐熱不銹鋼等,廣泛應用於汽車行業,家電行業,石油石化行業的油管,高鉻不鏽管還應用於海水熱交換器管,電廠換熱系統、冷凝器、蒸發器和煙氣脫硫裝置等。以美國普利茅斯公司為例,自1983至2004年,為美國大陸提供各類電站給水加熱器和凝汽器用TP439換熱管共計9,976,146m(32,730,138英尺)。
 
4. TP439與TP304的性能比較
現時,國內電廠300 MW、600 MW及以上機組中不銹鋼加熱器換熱管選用的材質主要有SA688 TP304、SA213 TP304/304N、SA803 TP439等。其中SA688 TP304使用最普遍,囙此對這些資料的化學成分、機械效能等各項名額進行逐一說明。
錶2  化學成分(%)
錶3常溫力學性能
錶4不同溫度下許用應力(MPa)
錶5不同溫度下的屈服極限(MPa)
錶6物理性能
從錶2~錶6數據可知,肥力鐵不銹鋼TP439與奧氏體不銹鋼TP304相比,在化學成分上最大區別是TP439基本不含鎳,但添加了穩定化元素Ti。在力學性能上,除抗拉强度、延伸率,TP439低於TP304外,不同溫度下的屈服强度和許用應力,TP439均高於TP304(見錶5)。在物理性能上,TP439彈性模量略高於TP304,比熱和密度略低於TP304,但重要的是導熱係數高於TP304,平均線膨脹係數低於TP304,更接近於管板採用的肥力鐵低合金材料.在機組運行時,由於溫度的大幅變化,管子與管板間產生的熱脹冷縮,TP439比TP304有更大的抗熱應力風險能力。可見肥力鐵不銹鋼TP439其傳熱效能優於奧氏體不銹鋼,並且它硬度高,具有優良的抗砂蝕和抗進口端磨損的能力,國外核電機組中的高加早已普遍使用這種管材,現國內在一些1000 MW核電機組中的高加,也採用了TP439焊管作為換熱管。
 
3. 2管子管板焊接試驗
為了驗證TP439管子的焊接效能,用類比換熱器按實際制造技術進行了管子管板焊接試驗。試驗採用美國ARC MACHIN ES. INC. USA公司的全自動鎢極氬弧焊機:MODEL 227,使用焊絲直徑為ª0. 88 mm,ERNiCrMo-3,焊絲熔敷金屬的化學成分見錶8;管板的資料為20MnMo,換熱管為規格ª16×1.5 mm牌號SA803 TP439資料,換熱管的化學成份如錶7所示。管子管板接頭採用平角焊型式,試驗採用1塊規格為:65×380×490 mm的試板,管子管板焊接接頭型式如圖1,並按圖進行鑽孔。
錶7試驗用管化學成份(%)
錶8填充焊絲化學成份(%)
 
圖1管板鑽孔尺寸及焊接接頭形式
 
焊接時所採取的保護氣體為氬氣:99. 99%Ar,氣體流量為:12~15L/min,鎢極類型及尺寸為:ª2. 4 mm。管子管板接頭的焊接(見圖1)採用二層加絲自動鎢極氬弧焊,每一層分為4個程式段,共8個程式段,每一程式段的焊接參數可以略有變化,以適應不同的焊接位置及焊接過程的需求。焊後對管子管板焊口進行著色檢驗,未發現存在表面焊接缺陷,焊接接頭表面成形良好,在經過600~650℃及保溫4小時的焊後熱處理後,對10個焊口進行宏觀金相分析,縱向剖分通過每個管子,四個面浸蝕,浸蝕面用10倍放大鏡目測,未發現裂紋,另外,其最小洩漏通徑不應小於規定壁厚的2/ 3,具體數值見錶9。
錶9管子管板焊口H值
試驗結果表明該焊接接頭能够達到設計及相關標準的要求。上述試驗中所得到的數據和結果的分析評定,我們可以看出,肥力鐵不銹鋼管與碳鋼管板採用鎳基焊絲,進行全位置自動氬弧焊,焊縫表面成形良好,經解刨焊縫厚度均大於管子壁厚,金相試樣中未發現裂紋等危險性缺陷,能獲得高品質的焊縫,適合用於加熱器的管子管板焊接。
 
3 TP439管子管板脹接效能
在換熱器的製造過程中需要進行脹管,以消除管子管板的間隙,以防止汽水沿間隙滲透侵蝕管口焊縫,並進一步固定管子,减弱震動對管口焊縫的破壞。囙此換熱管的脹接效能也是衡量肥力鐵不銹鋼管可用性的重要因素。為此我們類比加熱器實際生產過程對SA803 TP439進行了脹管試驗。試驗使用超高壓液壓脹管機,脹接後620℃×2. 5h類比焊後熱處理,進行拉脫力試驗,具體試驗條件和結果見錶10。
採用上述方法脹接,脹接强度不小於200 MPa時,管子的拉脫力符合《壓力容器安全技術監查規範》規定,且線切割後,管子管板貼合緊密,滿足貼脹要求。
錶10拉脫力試驗數據
綜上所述,400系列不銹鋼市場將逐步擴大,囙此有必要建立和執行有效的市場戰畧。為了擴大400系列不銹鋼的應用,建立必要客戶技術支援服務系統,並且根據不同的應用環境,更加積極地拓展市場。通過改進工藝技術攻關和加大市場開發力度,不斷提高鐵素體不銹鋼在重點專業領域的應用,使不銹鋼生產和使用成本大幅度降低。
 
參考文獻:
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