铁素体439焊管在给水加热器中的应用.pdf

总第106期2008年9月第3期 电 站 辅 机Power Station Auxiliary Equipment Vol.106September.2008,No.3文章编号:167220210(2008)0320026204铁素体439焊管在给水加热器中的应用刘尔静(上海电气电站设备有限公司上海电站辅机厂,上海 200090)摘 要:文中论述了铁素体439焊管的特质,这种焊管相比传统奥氏体不锈钢管具有价格优势,国外核电机组的高压加热器换热管,已经普遍使用这种管材,取得了良好的运行业绩。为进一步提高加热器的使用寿命及可靠性,同时,在镍供应相对紧张及镍价高涨情况下,研究铁素体不锈钢管替代碳钢或奥氏体不锈钢具有一定的现实意义。关键词:铁素体;奥氏体;不锈钢;换热器;传热管;替代;电站;应用中图分类号:TB35 文献标识码:BApplication of 439 Ferrite Tube to Feedwater HeaterLIU Erjing(Shanghai Power Station Auxiliary Equipment Works,Shanghai Electric Power Generation EqnitpmentCo.,Ltd.,Shanghai,200090,China)Abstract:The features of 439 ferrite welded tube have been described in the article.Owing to the price advantage ofthis tube compared with the conventiond austenite SS.tube,the above2mentioned tube is very popular as the heatexchanging tube in heat exchangers of nuclear power unit abroad and very good efficiency has been obtained.It ispractical to substitute ferrite SS.tube for carbon tube or austenite SS.tube in the case of nicke is in short sapply andthe price of nickel is in inflation.Key words:ferrite;austenite;stainless steel;heat exchanger;heat transfer tube;substitute;power station;application收稿日期:收稿日期2008206212作者简介:刘尔静(19642),女,本科,毕业于上海交通大学,现任上海电站辅机厂材料副总工程师。1 概述 高压加热器、低压加热器、凝汽器是汽轮发电机组中重要的辅机设备,这些换热器的性能和运行可靠性,将直接影响发电机组整体运行的经济性和安全性。随着我国电力工业的迅速发展,高参数,大容量机组数量不断增加。参数提高,容量增大,也使换热器的尺寸越来越大,同时也增加了设计、制造的难度。频繁的启停和急剧的负荷变化,使换热器的运行工况越来越恶劣。换热器投运率低的问题就成了影响机组等效可用率的重要原因之一。换热器的故障停用,均会使机组的经济性和出力受到影响。造成换热器投运率低和损坏的原因是多方面的。经各种停运的数据统计,换热器管系泄漏使换热器故障停运所占比重最大,而换热管被冲蚀和各类腐蚀是造成管系泄漏的最主要原因。2 换热管的选材国内电站换热器使用的换热管主要有碳钢管、不锈钢管、钛管和黄铜管等。碳钢管的抗腐蚀特性较差,对冲蚀也极其敏感,同碳钢管相比较而言,不锈钢换热管在耐冲蚀、耐腐蚀性方面有着无法比拟的优越性,可延长换热器的运行寿命,但目前国内大量使用的奥氏体不锈钢管高昂的价格,又往往使电厂用户望而却步,且其材质对应力腐蚀也极其敏感,制约了以不锈钢换热管在高压加热器等传统碳钢管62铁素体439焊管在给水加热器中的应用电站辅机总第106期(2008 No.3)领域的发展。铁素体不锈钢换热管,以ASMESA803 TP439为例,其传热性能优于奥氏体不锈钢,硬度高,具有优良的抗砂蚀和抗进口端磨损的能力,并且不含镍,相比传统奥氏体不锈钢具有价格优势,国外核电机组中的高加已普遍使用这种管材,并取得良好的运行业绩。为了进一步提高加热器的使用寿命及可靠性,同时在镍供应相对紧张及镍价高涨情况下,研究铁素体不锈钢管替代碳钢或奥氏体不锈钢的可行性具有一定的现实意义。3 铁素体不锈钢的应用与发展铁素体不锈钢作为1种不含镍的铬不锈钢,在使用状态下,是以铁素体组织为主的不锈钢,含铬量在11%30%,同时含有少量的Mo、Ti、Nb等到元素,呈体心立方晶体结构。铁素体不锈钢具有导热系数大,膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点。多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。目前,发达国家的不锈钢消费中,铁素体钢的使用比例比中国高很多。国产铁素体不锈钢发展缓慢与其性能有很大关系,传统的铁素体不锈钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点,因而限制了它的应用。以前,由于冶炼技术的限制,铁素体不锈钢在深冲、防腐、焊接性能上达不到材质要求,只能采用含镍不锈钢。伴随冶金技术的不断改进,炉外精炼、连铸连扎、连续退火工艺的应用,以及设备的大型化,铁素体不锈钢材质的各方面性能现已被大幅度提高。高铬系列不锈钢因含钼较高,在抗氯和强酸性条件下比奥氏体不锈钢具有更大优势,在很多领域可与奥氏体不锈钢互换使用。类似典型奥氏体不锈钢通常称作300系列不锈钢,铁素体不锈钢牌号在ASTM标准中以4开头,故一般统称为400系列不锈钢,J IS,ASTM,EN概括了普通成分的铁素体不锈钢,即11%Cr(409,410),18%Cr(430,436,439,444),22%Cr(445)以及30%Cr(447)等,其中一些牌号含有稳定元素钛和铌。铬含量的多少旨在平衡耐腐蚀性及韧性。这些钢种允许碳及氮的含量在0.01%0.03%之间。而铌和钛的添加量在8(C+N)%0.8%之间,固溶碳和氮,以利稳定化处理。Cr含量17%铁素体不锈钢是文中研究的重点,其详细化学成分如表1。表1GB、EN和ASME等标准中含Cr 17%的铁素体不锈钢化学成分对照(%)牌号EN10088-3X2CrTi17SA803 TP439GB1277100Cr17(022Cr18Ti)数字代号1.4520/(S11863)C0.0250.070.030Si0.501.000.75Mn0.501.001.00P0.0400.0400.035S0.0150.0300.030N0.01517.0019.00/Cr16.018.00.516.0019.00Ti0.300.600.20+4(C+N)1.100.101.00400系列不锈钢已成熟应用在许多工业领域。已开发出有优异成形性铁素体不锈钢、高耐蚀性铁素体不锈钢,超纯铁素体不锈钢、食品加工用抗菌铁素体不锈钢,超高温性铁素体耐热不锈钢等,广泛应用于汽车行业,家电行业,石油石化行业的油管,高铬不锈管还应用于海水热交换器管,电厂换热系统、冷凝器、蒸发器和烟气脱硫装置等。以美国普利茅斯公司为例,自1983至2004年,为美国大陆提供各类电站给水加热器和凝汽器用TP439换热管共计9,976,146m(32,730,138英尺)。3.1TP439与TP304的性能比较目前,国内电厂300 MW、600 MW及以上机组中不锈钢加热器换热管选用的材质主要有SA688TP304、SA213 TP304/304N、SA803 TP439等。其中SA688 TP304使用最普遍,因此对这些材料的化学成分、机械性能等各项指标进行逐一说明。表2 化学成分(%)材料牌号CSiMnPSCrNiTiTP439 0.071.001.00 0.040 0.03017.0019.000.50.20+4(C+N)1.10TP304 0.081.002.00 0.045 0.03018.020.08.011.0表3 常温力学性能项目屈服强度MPa抗拉强度MPa伸长率Lo=50 mm%硬度HRBTP4392054152090TP304215515359072电站辅机总第106期(2008 No.3)表4 不同温度下许用应力(MPa)室温TP304TP43910011710112596.210015091.296.520087.491.525081.185.930076.681.932572.780.335071.279.7/70.0/表5 不同温度下的屈服极限(MPa)材料名称SA803 TP439SA688 TP304-304020720765189184100176170125168161150162154175156148200152144225148139250145135275143132300142129325141126350140123表6 物理性能材料名称TP304TP439弹性模量 105MPa1.982.00比热J/kgK502458密度g/cm37.937.76导热系数W/mK15.826.3平均热膨胀系数mm/mm/10-618.011.34 从表2表6数据可知,铁素体不锈钢TP439与奥氏体不锈钢TP304相比,在化学成分上最大区别是TP439基本不含镍,但添加了稳定化元素Ti。在力学性能上,除抗拉强度、延伸率,TP439低于TP304外,不同温度下的屈服强度和许用应力,TP439均高于TP304(见表5)。在物理性能上,TP439弹性模量略高于TP304,比热和密度略低于TP304,但重要的是导热系数高于TP304,平均线膨胀系数低于TP304,更接近于管板采用的铁素体低合金材料.在机组运行时,由于温度的大幅变化,管子与管板间产生的热胀冷缩,TP439比TP304有更大的抗热应力风险能力。可见铁素体不锈钢TP439其传热性能优于奥氏体不锈钢,并且它硬度高,具有优良的抗砂蚀和抗进口端磨损的能力,国外核电机组中的高加早已普遍使用这种管材,现国内在一些1000 MW核电机组中的高加,也采用了TP439焊管作为换热管。3.2 管子管板焊接试验为了验证TP439管子的焊接性能,用模拟换热器按实际制造工艺进行了管子管板焊接试验。试验采用美国ARC MACHINES.INC.USA公司的全自动钨极氩弧焊机:MODEL 227,使用焊丝直径为“0.88 mm,ERNiCrMo-3,焊丝熔敷金属的化学成分见表8;管板的材料为20MnMo,换热管为规格“161.5 mm牌号SA803 TP439材料,换热管的化学成份如表7所示。管子管板接头采用平角焊型式,试验采用1块规格为:65380490 mm的试板,管子管板焊接接头型式如图1,并按图进行钻孔。表7 试验用管化学成份(%)CSiMnPSCr0.071.001.000.0300.04017.0019.00表8 填充焊丝化学成份(%)CSiMnPSCrNiMoFeNbTi0.01 0.03 0.01 0.0020.001 22.0464.26 9.01 0.61 3.62 0.20图1 管板钻孔尺寸及焊接接头形式 焊接时所采取的保护气体为氩气:99.99%Ar,气体流量为:1215L/min,钨极类型及尺寸为:“2.4 mm。管子管板接头的焊接(见图1)采用二层加丝自动钨极氩弧焊,每一层分为4个程序段,共8个程序段,每一程序段的焊接参数可以略有变化,以适应不同的焊接位置及焊接过程的需求。焊后对管子管板焊口进行着色检验,未发现存在表面焊接缺陷,焊接接头表面成形良好,在经过600650及保温4小时的焊后热处理后,对10个焊口进行宏观金相分析,纵向剖分通过每个管子,四个面浸蚀,浸蚀82铁素体439焊管在给水加热器中的应用电站辅机总第106期(2008 No.3)面用10倍放大镜目测,未发现裂纹,另外,其最小泄漏通径不应小于规定壁厚的2/3,具体数值见表9。表9 管子管板焊口H值试样号H值(mm)平均值13.03.02.82.62.922.22.42.42.22.332.81.82.62.22.442.02.21.01.81.852.02.62.01.82.162.01.22.01.81.8总平均值2.2 试验结果表明该焊接接头能够达到设计及相关标准的要求。上述试验中所得到的数据和结果的分析评定,我们可以看出,铁素体不锈钢管与碳钢管板采用镍基焊丝,进行全位置自动氩弧焊,焊缝表面成形良好,经解刨焊缝厚度均大于管子壁厚,金相试样中未发现裂纹等危险性缺陷,能获得高质量的焊缝,适合用于加热器的管子管板焊接。3TP439管子管板胀接性能在换热器的制造过程中需要进行胀管,以消除管子管板的间隙,以防止汽水沿间隙渗透侵蚀管口焊缝,并进一步固定管子,减弱震动对管口焊缝的破坏。因此换热管的胀接性能也是衡量铁素体不锈钢管可用性的重要因素。为此我们模拟加热器实际生产过程对SA803 TP439进行了胀管试验。试验使用超高压液压胀管机,胀接后6202.5h模拟焊后热处理,进行拉脱力试验,具体试验条件和结果见表10。采用上述方法胀接,胀接强度不小于200 MPa时,管子的拉脱力符合 压力容器安全技术监查规范 规定,且线切割后,管子管板贴合紧密,满足贴胀要求。表10 拉脱力试验数据管板管子材料牌号厚度mm材料牌号尺寸(直径 壁厚)管孔(mm)孔径孔距20MnMo37216.2+0.100021SA803 TP439“161.5管板孔径(mm)管子外径(mm)胀接压力MPa过盈量(mm)拉脱力(N)管子内经(mm)胀前胀后16.2416.01313.1813.442050.043160016.2116.01013.2013.412050.013200016.2016.01813.1913.412050.043260016.2316.00813.1913.412050.012980016.2116.01713.2013.452000.062840016.2316.00713.2013.452000.032700016.2216.00713.2013.502000.093000016.2616.00513.2013.471950.01285004 结束语综上所述,400系列不锈钢市场将逐步扩大,因此有必要建立和执行有效的市场战略。为了扩大400系列不锈钢的应用,建立必要客户技术支持服务系统,并且根据不同的应用环境,更加积极地拓展市场。通过改进工艺技术攻关和加大市场开发力度,不断提高铁素体不锈钢在重点专业领域的应用,使不锈钢生产和使用成本大幅度降低。尽管如此,也应清醒地看到,目前我国生产的铁素体不锈钢无论是产品数量还是在工艺质量控制及新品开发等方面,与国外相比还存在相当大的差距,须尽快加以解决,迎头赶上。参考文献:1牛忠华,等.不锈钢换热管在高压加热器中的应用J.电站辅机,2006(3).2吴江枫.400系列不锈钢的应用及生产浅述J.上海钢研,2006(3).3周彦伟,等.铁素体不锈钢管子管板焊接工艺研究J 电站辅机,2005(4).92