不锈钢波螺焊管在电厂凝汽器的应用

3.2 不锈钢波螺管与铜管作为凝汽器换热管的比较
冷却管选材的中心问题是冷却管的耐腐蚀性能、换热性和耐磨性。不同金属的耐腐蚀性 能除了与材料本身的特性有关外，还与水质有关。现时趋向是用海水作冷却水的滨海电站采 用钛管；用淡水作冷却水的内陆电站采用不锈钢管。
3.2.1 材料性能比较 两种管材的基本性能如表 1 所示：
液膜厚度、不凝性气体含量、抽气器特性等因素都对蒸汽凝结当量表面传热系数有影响。文
献[10,11]认为，蒸汽凝结当量表面传热系数等于静止蒸汽在水平单管外冷凝传热系数乘一个 修正系数，对电站凝汽器，这个修正系数在 0. 45～0. 6 之间。分析比较了多个冷凝传热系数 计算式，本文中将这个修正系数取为 0. 54。于是，蒸汽凝结当量表面传热系数表示为:
不锈钢波螺焊管用不锈钢做管材，加工方法很简单，不需要特殊设备，把光滑圆管用简 单模具在普通车床上或专用机床上滚轧冷加工即可。简言之就是由钢带材经卷制，焊接，探 伤，热处理，压波纹，气密试验等工艺制造而成。管壁厚可根据钢带材厚度来选择，波纹和 槽深可以在辊压波纹时自行设定，从而可以得到一系列不同规格的波螺焊管。
λw ——冷却水的导热系数，W/（m·K）
Vw ——冷却水的流速，m/s
ν w ——冷却水的运动粘度系数，m2/s
对于波螺焊管而言，由于循环水在管内的流动产生了边界层分离，加快了冷热水之间的
混和，提高了换热性能。
管内对流换热系数波螺焊管与光管之比为
a / a = 1+13(h / s) + 94(h / s)2
在焊接不锈钢管试制成功之后，美国开始陆续在凝汽器上使用不锈钢管作为冷却管。在 此之后，法国、德国等欧洲国家，也在凝汽器上使用不锈钢管。法国采用过铁素体 430 钛和 290 钼不锈钢冷却管。德国成功研制了含镍较高，含钼达 5％～7％的奥氏体不锈钢管和奥氏 体铁素体不锈钢管，拟推广应用于海水冷却凝汽器[1]。
=
φ Dk
gs
φ = Dk (hs − hc )
-4-

t1 ——冷却水进口温度，℃
t2 ——冷却水出口温度，℃
ts ——凝器压力下水蒸气的饱和温度，℃ φ ——凝汽器热负荷，w
Dk ——凝汽器蒸汽负荷， kg/s
gs ——比蒸汽负荷，kg/（m2·s）
-2-
材料
导热率 W/(m·k)
表 1 两种管材的基本性能
伸长率 弹性模量 屈服强度
%
GPa
Mpa

抗拉强度 Mpa
状态
HSn70-1 167
40
103
147
TP316L 13.4
35
193
240
245
软
530
固溶
两种管材的耐腐蚀性能如表 2 所示：
表 2 不同材质冷却管耐腐蚀性能（耐蚀性：1 最低，6 最高）[4]
3.2.2 传热特性比较
热量传递有三种基本方式：导热、对流和热辐射，凝汽器传热包括下列几个相互串联的 换热方式：
-3-

蒸汽 凝结换热 管子外壁 导热换热 管子内壁 对流换热 水
凝汽器总传热系数 k 用下式计算[9]：
k=
1
1 d1 + 1 + d1 ln d1
aw d2 as 2λ d2
(1)
aw 一管内冷却水的对流换热表面传热系数，W/(m2·K)
as ——蒸汽凝结当量表面传热系数，W/(m2·K) λ ——管壁材料的导热系数，W/ (m·K)
d1 ——冷却管外径，m
d2 ——冷却管内径，m
下面对每一个过程进行计算： 1.蒸汽在管子外壁的凝结换热： 静止蒸汽在水平单管外层流膜状凝结的表面传热系数，采用文献[9]的计算式：
不锈钢波螺焊管从材料性能上和铜管相比具有以下几个特点[8]： 1)不锈钢波螺焊管材料的强度大于铜管，最显著特点是更能抵抗冷却水管在运行过程中 对汽侧的高速蒸汽及汽侧带水滴汽流的冲击侵蚀； 2)不锈钢波螺焊管的弹性模量 E 大于铜管，表明其抗拉强度大，能承受轴向的拉力比铜 管大； 3)不锈钢波螺焊管抗结垢能力强。因为污垢层与不锈钢的热胀系数差别很大，当受热时， 由于线型曲率变化不等而自动脱落； 4)不锈钢波螺焊管有良好的抗腐蚀能力，能有效防止有害气体对冷却管的侵蚀；在凝汽 器的空气冷却区内，经常积聚一些不凝气体，主要由氨气、二氧化碳等组成，铜管对氨气产 生的腐蚀极为敏感，而不锈钢管在抗氨腐蚀能力方面很强。
am
=
2λ d11nd1
/
d2
(4)
λ ——冷却管的导热系数，W/（m·K）
d1 ——冷却管外径，m
d2 ——冷却管内径，m
3.管子内壁与水的强制对流换热 由迪图斯——贝尔特公式：
Re = Vwd2 νw
aw
=
0.023 Re0.8
Pr 0.4
λw d2
(5)
-5-

1. 前言
凝汽式汽轮机是现代火电站和核电站广泛采用的典型汽轮机。凝汽器也称冷凝器，是凝 汽式汽轮机装置的一个重要组成部分，在凝汽式汽轮机装置的热力循环中起着冷源的作用， 其主要任务是将凝汽式汽轮机的排汽凝结成水，并在汽轮机排汽口建立和保持一定的真空 度，使蒸汽在汽轮机中膨胀到较低压力，以增加可用焓降，提高循环热效率。
常规凝汽器是以水作为冷却介质经过凝汽器冷却管作表面式冷却，在极端缺水的地区使 用空气作冷却介质。冷却管是表面式凝汽器最重要的部件，质量上约占整个凝汽器的 1/8～ 1/4，造价约占 1/4～1/2。凝汽器运行中的安全可靠性和经济性很大程度上取决于冷却管。因 此，选取适宜的材料，优化管型和布管方式对于提高凝汽器的性能[1~6]，节约能源有很重大 的意义，国内外很多学者围绕强化传热管和优化排管方式进行了深入研究[4~10] 。
目前我国已有较多用焊接不锈钢生产波螺管的厂家，国内自制的不锈钢波螺焊管质量可 以达到与进口管材相当或略强，焊缝金相组织与母材一样，强度等机械性能略好。由于制管 钢带材质厚薄均匀，表面光滑平整，生产出的不锈钢波螺焊管的质量比同种材质的冷拔，热 轧无缝不锈钢管好，特别是没有经过轧制，延伸率大于 35％，硬度小，易于胀接，胀接质 量非常好，能保证在长期运行中不脱落，胀口严密不漏。
蒸汽与管外壁之间的平均温差采用对数平均温差计算式：
∆ts−o
= ∆tm
− q( 1 aw
d1 d2
+
d1 2λ
ln
d1 ) d2
∆tm ——对数平均温差，℃ q ——凝汽器的比热负荷（热流密度），w/m2
其中， ∆tm 与 q 的计算式为：
∆tm
=
t2 − t1 ln ts − t1
ts − t2
q
as = 0.54an
(3)
an －静止蒸汽在水平单管外层流膜状凝结的表面传热系数，W/(m2·K)
2.换热管内外壁的导热：
2πλ (t − t ) L
Q=
由导热微分方程导出通过圆筒的热量计算式：
1
2
1n(d / d )
1
2
应用牛顿冷却公式 Q = amF∆t = amd1L(t1 − t2 )
联立以上两式得：
4
5
6
6
微生物腐蚀
5
5
4
4
2
3
从表 1 和表 2 中可以看出，不锈钢管的耐蚀性优于海军黄铜管(HSn70-1)、铝黄铜管 (HAl177-2)及 Cu-Ni 合金管，仅次于钛管。它适用于含氨不超过 1000ppm 的清洁淡水和污染 水质，对于 pH>9 的碱性水都具有良好的耐蚀性，具有优良的耐氨腐蚀性的不锈钢管可用于 空冷区取代铜镍合金 B30 管。
据文献 [2]报道，1965 年至 1971 年安装和订货的凝汽器管材，在江、湖、塔式冷却系统 中，采用不锈钢占 20. 9%，海军黄铜所占比例由 50%的下降到 30%左右。传统上广泛使用 的海军黄铜管逐渐为不锈钢焊接管替代。
国内大型机组大规模发展是在 80 年代末，许多电厂开始安装 300M W 的机组，600M W
腐蚀形态
HSn70-1 HAl77-2 90-10
70-30
TP304
Ti
Cu-Ni Cu-Ni
均匀腐蚀
2
3
4
4
5
6
溃蚀
2
2
4
5
6
6
点蚀（流动）
4
4
6
5
4
6
点蚀（静水）
2
2
5
4
1
6
高速水流冲蚀
3
3
4
5
6
6
进口冲击腐蚀
2
2
3
4
6
6
蒸汽冲蚀
2
2
3
4
6
6
应力腐蚀
1
1
6
5
5
6
氯化物腐蚀
3
5
6
5
16ຫໍສະໝຸດ 氨腐蚀22
an
=
0.729[
gr
ρcm
λ3 cm
ν cmd1∆ts−o
1
]4
(2)
r ——汽化潜热，J/kg
ρcm ——凝结水膜的密度，kg/m3
λcm ——凝结水膜的导热系数，W/（m·K）
ν cm ——凝结水膜的运动粘度，kg/（m·s）
d1 ——冷却管的外径，m
∆ts−o ——蒸汽与管外壁之间的平均温差，℃
hs ——对应凝汽器压力下饱和水蒸汽的比焓，J/kg
hc ——对应凝汽器压力下饱和水的比焓， J/kg
蒸汽对管外壁的凝结传热包含蒸汽（可能带有一定量不凝性气体）对水膜的凝结传热和
通过水膜向管外壁的导热两种传热方式组成。如果用蒸汽凝结表面传热系数来描述这个传热