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冷凝器熱縮管作用

本文分析了造成凝汽器黃銅管腐蝕的多種原因，提出了相應的防護措施。研究了用白銅、钛、不鏽鋼代替黃銅的可行性，通過比較發現不鏽鋼将是凝汽器管材的應用趨勢。

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凝汽器是熱力發電機組中重要的輔助設備。目前在火力發電廠中，凝汽器常用的管材主要有銅合金管（包括黃銅合金管、白銅合金管）、钛管、不鏽鋼管三大類。凝汽器的腐蝕問題一直是電廠鍋爐事故中的重要問題。

一、凝汽器的腐蝕類型及腐蝕原因

目前凝汽器的主要管材為銅合金，并且腐蝕受多種因素影響，腐蝕類型也各種各樣，主要有以下幾種。

1．選擇性腐蝕。主要是銅基中鋅的選擇性腐蝕。因為凝汽器的銅管多是由銅鋅合金組成，因鋅的電位較銅低，所以鋅易成為腐蝕電池的陽極而使鋅選擇性地溶解下來，使銅管發生腐蝕。理論及實踐證明，銅管的腐蝕過程與銅管表面保護膜的性能關系很大，如果黃銅管投運前後的維護工作不好，沒有形成初期緻密保護膜則較易發生脫鋅腐蝕。若鍍膜裝置沒有同期安裝完善，凝汽器銅管沒有進行FeSO4的初期鍍膜和日常補膜，也是導緻局部脫鋅腐蝕的重要原因。

2．銅管的點蝕。這種腐蝕易發生在銅管表面保護膜的破裂處。由于冷卻水中含C1-與銅氧化産生的Cu 生成不穩定的Cucl，可水解成穩定的Cu2O，并使溶液局部酸化熱力設備腐蝕。另外如果水質不穩定，又沒有進行綜合處理，必然引起凝汽器銅管結垢，若不按期清洗，表面沉積物不均勻促進了腐蝕，而腐蝕又進一步導緻沉積物增加，最終導緻點狀腐蝕穿孔。

3．銅管的沖刷腐蝕。這種腐蝕形式既可發生在水側，也可發生在汽側，但以前者為主。循環冷卻水中的懸浮物、泥砂等固體顆粒狀硬物對凝汽器入口端銅管沖擊、摩擦，長時間運行後，入口端銅管前段管内壁粗糙，雖無明顯腐蝕坑，但表面粗糙，黃銅基體裸露，銅管減薄。沖刷腐蝕的陽極過程是銅的溶解，陰極過程是O2的還原。腐蝕坑内無腐蝕産物，表面呈銅合金的本色。流速過高，會妨礙形成穩定的保護膜，也是産生沖刷腐蝕的原因，一般流速不大于2m/s。

4．NH3蝕。給水中過量的NH3随蒸汽進入凝汽器，并在凝汽器内局部富集，若同時有O2存在，便會在這一區域的銅管汽側産生NH3蝕，其特點是管壁均勻減薄，當水中氨含量達300mg/L時易發生NH3蝕。隔闆孔處凝結水過冷，溶解的氨濃度提高也會引起銅管在該處産生環帶狀氨蝕。

5．電偶腐蝕。當兩種不同的金屬材料在腐蝕介質中直接接觸時，有可能發生電偶腐蝕。在凝汽器中，凝汽器管材料與管闆材料不同，用淡水作冷卻水的凝汽器，管材通常用黃銅或白銅。由于管材與管闆材料在冷卻水中的電位不同，二者之間就存在發生電偶腐蝕的可能。凝汽器銅管的電位比管闆的電位高，故管闆的腐蝕會加速。若用淡水作冷卻水，凝汽器用黃銅管與碳鋼管闆配合時，碳鋼管闆腐蝕加劇，但由于碳鋼管闆厚度較大，一般為25~40mm，故在清潔淡水中，電偶腐蝕對使用安全性影響不大，但在含鹽濃度較高的環境水中電偶腐蝕較易發生。

6．應力腐蝕破裂。當凝汽器銅管安裝固定不當時，運行中會産生振動和交變應力使銅管表面的保護膜破壞而發生腐蝕，最終産生橫向裂紋使銅管破裂。這主要是在交變應力作用下銅管内部的晶粒發生相對位移，在腐蝕介質下産生陽極溶解而形成的，大多在銅管中部發生。

7．腐蝕疲勞。凝汽器銅管在運行中頻繁啟停、機組負荷變化幅度較大時，受汽輪機高速排汽的沖擊，管束發生振動，銅管受交變應力的作用，易使銅管表面膜破裂，産生局部腐蝕，形成點蝕坑，使材料疲勞極限降低，且由于應力集中在蝕點處，點蝕坑底部易産生裂紋，在水中NH3、O2、CO2等的侵蝕下逐漸擴展破裂。這種腐蝕疲勞破裂易發生在銅管的兩支撐隔闆所跨的中段，因銅管中段振動最劇烈。

8．微生物腐蝕。微生物會改變凝汽器管壁局部區域的介質環境，從而造成局部腐蝕。由于微生物的生物活動，會促進金屬在冷卻水中的電化學腐蝕過程。微生物腐蝕一般發生在凝汽器進水側的碳鋼管闆上，冷卻水中常含有一種靠Fe2 和O2生存繁殖的細菌，稱為鐵細菌。它靠Fe2 →Fe3 釋放的能量維持生命活動，生成的Fe3 在細菌表面生成Fe(OH)3↓形成棕色黏泥。在黏泥底部形成缺氧條件，為厭氧的硫酸鹽還原菌提供了合适的生存環境。鐵細菌和硫酸鹽還原菌的聯合作用又促進了金屬腐蝕。

9．沉積物下腐蝕。由于操作溫度偏高、緩蝕阻垢劑與水質和操作溫度不匹配、加藥量不足或濃度波動過大而結垢。這些污垢會造成凝汽器管壁局部區域的介質環境發生改變，垢層形成後，Cl-易穿透垢層，造成基體金屬的腐蝕，腐蝕生成的金屬離子水解造成介質H 濃度升高，藻類和微生物的活動亦造成介質的酸度升高。由于垢層阻礙了管内壁金屬表面介質與環境介質的相互擴散，使垢層下的介質pH值下降，破壞了金屬表面的鈍化膜，使金屬基體進一步發生腐蝕。

10．凝汽器銅管管壁溫度的影響。溫度對黃銅腐蝕的發展有很大影響，銅管壁溫越高，腐蝕越快。

二、凝汽器銅管的防護

針對以上凝汽器銅管腐蝕的原因，為延長凝汽器銅管的使用壽命，可采取以下措施：

1．凝汽器換熱管應合理選材。針對不同的冷卻水成分應選擇不同的材料：為防止脫鋅腐蝕，應在黃銅合金中添加0.02%~0.03％的砷；采用含硼管材，利用硼在管材表面的富集，填補脫鋅後的空穴，堵塞鋅原子透過膜的通道，使銅管加硼後表面具有較大的阻力，可以抑制脫鋅腐蝕；向銅管中添加1%~2％的錫，或是添加2％的鋁可提高其耐蝕性，抑制脫鋅傾向；也叮添加鎳元素制成白銅，白銅化學穩定性優于黃銅，并無選擇性腐蝕傾向，在相同的操作工況下，受腐蝕程度顯著低于黃銅所以，建議在較苛刻和水質不穩定的使用環境下，盡可能使用白銅。

2．凝汽器銅管發生垢下腐蝕是火力發電廠常見的腐蝕形式，控制循環水質是防止結垢的主要方法。針對冷卻水混濁、含有泥沙和懸浮物的情況，要加裝合适的過濾網，定期清理，防止泥砂和石子等雜物進入凝汽器，防止管路堵塞和沉積污垢引起的腐蝕，同時水的pH值要控制在8~9之間為宜。

3．利用機組維修期間将水塔水排淨，對水塔的配水溝道和池底進行清掃，使循環水系統内無碎石、淤泥等雜物；凝汽器膠球清洗系統每天投入1h，可有效地防止凝汽器銅管内壁被淤泥附着；加強設備維護，保證循環水系統濾網完好，防止異物進入凝汽器劃傷、堵塞銅管；運行中應做好防垢工作，保持膠球清洗裝置的止常投用、做好銅管的清洗保潔、消除冷卻水滞流不動的死區、加殺生劑等對防止沉積物下腐蝕都是有效的方法，必要時應進行化學清洗。

4．銅管投運前應做好FeSO4鍍膜，使管表面形成緻密和牢固的保護膜，同時在運行中做好補膜工作對于整個銅管來說，最經濟、有效的防護方式是FeSO4鍍膜，它不僅對管端的沖刷腐蝕有效，而且對銅管的點蝕也有較好的防護作用。

5．合理安排循環水泵的運行方式，盡量使運行工況滿足設計工況的要求，降低排汽溫度。同時保持涼水塔完好運行，降低循環冷卻水的溫度，減小腐蝕溫度。

6．保證循環冷卻水流速的正常，一般黃銅管流速應在1~2m/s、當流速低于1m/s時易發生結垢，當流速大于2m/ s時易發生沖刷腐蝕。

7．添加阻垢劑能有效地防止結垢，并能防止已有晶體繼續長大。阻垢劑加藥點設在循環水泵前的水渠入口處，采用連續加入方式。阻垢劑投入後，降低了銅管内表面的結垢速度。

8．凝汽器管闆的防腐。為了減緩和防止管闆腐蝕，目前使用的噴鋅塗膠法，先對已形成的較深的腐蝕坑進行冷焊修補，再對水室進行噴砂除鏽及噴鋅處理，最後塗防腐膠。噴鋅處理形成的富鋅層不僅能作為犧牲陽極保護碳鋼管闆，而且增加了膠層與碳鋼的附着力，很大程度上克服了因局部除鏽不徹底或清洗不夠造成的附着力差的問題。

9．管闆、管口塗膠。由于凝汽器銅管管口存在沖刷腐蝕及脹管工藝不當、運行中銅管振動等情況，所以很容易造成洩漏。對管口、管闆進行塗膠處理能有效地解決這一問題。所塗膠層應伸入管口150mm左右。

10．為保持機組運行中低壓缸和凝汽器的嚴密性、防止空氣進入、防止氨蝕，可采用自動加氨系統來控制加氨量。

11．為防止凝汽器發生振動産生應力腐蝕，可采用在銅管管束之間鑲嵌竹片或木條。

12．為了避免銅管的應力腐蝕，要對新裝銅管進行消除應力退火處理，即在300℃保溫4h。此外，在管端脹接後要用火焰噴射以消除應力。

13．采用陰極保護的方法常常保護凝汽器兩端的水室、管闆和管端。常用的陰極保護方法有兩種：犧牲陽極法，即在凝汽器水室安裝一塊電位比銅低的金屬如鋅、鋁等使它成為一個陽極，這樣被腐蝕的是鋅和鋁，而使銅管成為陰極被保護；外部電源法，在凝汽器水室内裝入一個外加電極，将水室本體作為另一電極，并且外接直流電源，将水室本體接在直流電源的負極（陰極）上。

三、凝汽器管材的發展前景

黃銅是目前國内應用最多的管材，但其腐蝕問題一直得不到徹底解決，在含鹽量高的液體中腐蝕尤其嚴重，目前許多國家都在研究代替黃銅的既經濟又耐用的材料，已将白銅、钛和不鏽鋼等管材投入運用。

1．白銅管。白銅為銅鎳合金，其化學穩定性優于黃銅，并且無選擇性腐蝕傾向，其耐腐蝕機理是容易在空氣或水中形成納米級的表面膜，這種膜緻密、穩定、自修複速度高，從而保證了管材的耐蝕性。所以，在相同的操作工況下，受腐蝕程度顯著輕于黃銅。建議在較苛刻的和水質不穩定的使用環境下，盡可能使用白銅。但其價格高于黃銅，并且由于銅、鎳的氧化還原電位不同，容易産生脫鎳腐蝕，在缺氧的情況下，也易發生點蝕，限制了白銅的廣泛應用。

2．钛管。钛作為冷卻管的新型工程材料，對各種水質都具有極強的耐蝕性。钛冷凝器管道對一般的點蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕都顯示出顯著的阻力。因此钛冷卻管被認為是不受腐蝕和侵蝕的作為最耐腐蝕的結構金屬，其密度小、強度高，并且在沸水環境的研究中，钛的腐蝕阻力顯著地高于銅鎳合金。在其他材料不能耐受侵蝕的情況下，钛可以說是最佳選擇但是，钛也并不是不被腐蝕的，應用和研究發現钛管的失效形式主要是機械損壞，其次是钛管與異種金屬管闆連接時易發生電偶腐蝕，并且仍存在結垢現象，為此需要采取全钛連接或陰極保護以防止電偶腐蝕同時，由于钛管價格昂貴及安裝費高，西方國家和我國都隻限于濱海電站和核電站中應用，連接造成的電偶腐蝕和管内結垢仍有待解決，這些都限制了它的全面推廣。

3．不鏽鋼管。由于管材生産工藝和導熱等原因，我國很少考慮不鏽鋼管作為凝汽器冷凝管，然而美國和歐洲則大量使用不鏽鋼管替代銅管作為冷凝管研究發現，與銅管相比，不鏽鋼管有以下優點。

(1)材料性能：

①不鏽鋼管的強度和表面硬度都比銅管、钛管高，許用應力是黃銅管的1.6倍，是钛管的1.5倍，因此不論是汽側的高速蒸汽及水滴，還是水側的泥沙污垢及入口端流，都不能對不鏽鋼管形成明顯沖蝕。

②不鏽鋼管的彈性模量比銅管、钛管高，振動阻尼數值也較銅管大，抗拉強度好，線膨脹系數低于普通銅管，可減少來自内部的應力。

③不鏽鋼管具有較高的抗腐蝕性能，幾乎不發生鏽蝕，耐高速流體和循環水介質含泥沙量大、懸浮物多的沖蝕。不論是不鏽鋼還是銅管，在凝汽器的空氣冷卻區内，熱交換管金屬表面經常積聚一些不凝氣體，主要是氨氣、二氧化碳等銅管對氨氣産生的腐蝕極為敏感，造成氨腐蝕不鏽鋼管恰有較銅管高的抗氨腐蝕能力。

④增加不鏽鋼中Mo含量可有效地提高不鏽鋼管在含C1-介質中的耐縫隙腐蝕和點蝕的能力，增加N元素除了可以提高不鏽鋼的強度外，還能增加耐點蝕性和相對穩定性。

(2)傳熱效果：

①不鏽鋼管高粗糙度的金屬表面不會形成水膜，有穩定的傳熱能力，增強了蒸汽與管外壁的換熱效果。

②雖然不鏽鋼管的導熱系數較小，但不鏽鋼管凝汽器總傳熱效率不一定比銅合金管低，有時甚至還略好一點。

(3)經濟性。我國于1995年開始生産凝汽器用薄壁不鏽鋼焊接管，其價格比軋制的不鏽鋼管便宜，特别是近年來，随着不鏽鋼管産量增大和管道焊接技術的成熟，且已國産化，不鏽鋼管管材的價格與銅管的差距逐步縮小，目前從投資來說兩者價格相差甚微。

四、結論

目前在國内經濟還欠發達的情況下，不可能把所有的凝汽器黃銅管都換成白銅管、钛管或不鏽鋼管，因此掌握如何維護黃銅管凝汽器的正常運行、防止腐蝕及腐蝕後應如何彌補至關重要。白銅管和钛管防腐性能較好，但價格較高。不鏽鋼管具有良好的機械性能、耐蝕性能和經濟性，在我國凝汽器上的應用潛力很大。選擇不鏽鋼管作凝汽器換熱管是今後的趨勢