稀有金属 2003,(06),738-741 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.06.020
电站凝汽器用新型耐蚀铜合金
王志英 贺金宇
北京有色金属研究总院有色金属加工工艺研究中心,北京有色金属研究总院有色金属加工工艺研究中心,北京有色金属研究总院有色金属加工工艺研究中心 北京100088 ,北京100088 ,北京100088
摘 要：
介绍了一种电站凝汽器用新型耐蚀铜合金HSn70 1AB , 是新一代加硼铜合金。对HSn70 1AB合金的化学成分、物理及机械性能、适用水质和装机使用效果等作了评价 , 为推广使用HSn70 1AB合金提供了可靠依据
关键词：
冷凝器 ;铜合金 ;电站 ;
中图分类号： TG133.4
收稿日期： 2003-06-25
A New Anti-Etch Copper Alloy Appropriate for Condenser Used in Power Plant
Abstract：
A new anti etch copper alloy (HSn70 1AB) appropriate for condenser used in power plant was introduced, HSn70 1AB is a new type of copper alloy. The chemical composition, mechanical behaviour, physics behaviour, appropriate water quality and working effect of this new copper alloy were assessed, and the key data for applicontion were given in this paper.
Keyword：
condenser; copper alloy; power station;
Received： 2003-06-25
我国是一个能源需求大国, 在我国的200 GW装机总量中70%～80%为火力发电。 冷凝器作为火力发电机组的主要部分, 冷凝管的耐蚀性能直接影响到电站的经济效益。
发达国家在凝汽器用管的材质选用上, 白铜管、 不锈钢管和钛管的使用比例在逐年增加, 而我国基本上是以黄铜管为主, 加上少量的白铜管。 根据我国的国情, 这种以黄铜管为主的局面将在很长一段时间内继续下去。
1 我国电站凝汽器用黄铜的发展历程
我国幅员辽阔, 地下水 (包括江河水) 水质 (主要指溶解固形物和氯离子含量) 相差甚大。 为适应各种水质对合金耐蚀性的要求, 付出了几代人的辛劳。
1.1 仿用阶段
20世纪50年代初, 采用国外通用的H68, HSn70-1和HA177-2 3个牌号黄铜合金管材。 但普遍存在着脱锌腐蚀问题。 冷凝管的寿命, 在水质条件好的地区可达7～8年, 在水质差的地区只有3～4年。
1.2 改良阶段
20世纪70年代, 在上述3个牌号合金的基础上, 通过添加金属元素砷, 开发出H68A, HSn70-1A和HAl77-2A, 基本上解决了黄铜管大面积脱锌腐蚀问题, 但当冷却水中有溶解固形物、 氯离子及含砂量较大时, 使用寿命也会下降。 此阶段冷凝管的平均寿命为15年。
1.3 创新阶段
20世纪90年代初, 针对高盐、 高氯离子水质的特殊情况, 开发出含硼的HSn70-1B新型耐蚀合金。 在冷却水中溶解固形物含量小于4000 mg·L-1 、 氯离子含量小于800 mg·L-1 时, 使用效果很好。
1.4 新型耐蚀合金HSn70-1AB的开发
当冷却水中溶解固形物含量大于4000 mg·L-1 、 氯离子含量大于800 mg·L-1 和水流速较大时, 其耐蚀性能也不理想。 西北铜加工厂在HSn70-1A的基础上, 通过添加微量硼和适量镍、 锰等元素, 开发出HSn70-1AB合金材料 (已于1997年8月通过原中国有色金属工业总公司鉴定) , 使其适应水质范围大大扩宽, 可满足我国大多数火力发电站和海水倒灌电厂对管材耐蚀性的要求, 抗冲蚀能力较HSn70-1B提高1倍以上
[1 ]
。
2 HSn70-1AB合金的各项性能
由于HSn70-1B和HSn70-1AB均是在HSn70-1A的基础上派生出来的新合金, 因此在介绍铜合金的化学成分、 物理及机械性能和适应水质诸方面, 统一归类, 以利比较。 3种合金凝汽器管所适用的水质及允许流速见表1。
2.1 硼、 镍、 锰对HSn70-1AB合金力学性能的影响
下面以3种合金的3组样品探讨硼、 镍、 锰3种元素在HSn70-1AB合金中对其力学性能的影响。 样品的化学成分列于表2, 力学性能及硬度列于表3, 金相组织和断口形貌分别见图1和图2。 1# 样品: HSn70-1A; 2# 样品: HSn70-1B; 3# 样品: HSn70-1AB。
表1 3种合金凝汽器管所适用的水质及允许流速*
Table 1 Water quality and current velocity appropriate for three condensers
管材
溶解固形物/-1 )
Cl含量/-1 )
悬浮物和含砂量/-1 )
-1 )
最佳
最高
HSn70-1
<1000, 短期<2500
<150, 短期<400
<300
1.0
1.8
2.0
<3500, 短期<4500
<400, 短期<800
<300
1.0
1.8
2.0
<4500, 短期<5000
<2000
<300
1.0
1.8
2.0
* 表1的数据节录于中华人民共和国电力行业标准之“火力发电厂凝汽器管选材导则”送审稿 (1999)
表2 样品的化学成分% (质量分数)
Table 2 Chemical composition of sample (%, mass fraction )
样品
铜
锡
砷
硼
镍
锰
锌
# 69～71
1.0～1.2
0.04～0.05
-
-
-
余
# 69～71
1.0～1.2
0.04～0.05
0.004～0.005
0.30
-
余
# 69～71
1.0～1.2
0.04～0.05
0.004～0.005
0.25
0.4
余
实验结果表明, 合金中添加微量硼元素和适量镍元素后, 强度和硬度均有所提高, 镍、 锰同时加入的3# 号样品表现较为明显, 足见锰对合金强度改善也有影响。 值得注意的是镍、 锰的加入使合金强度提高, 但并未降低合金的塑性, 它们仍具有良好的加工性能。 图2的SEM照片均属于典型的韧窝状断口, 大量的微坑覆盖断面, 属于韧性断裂的微观形貌。 研究表明, 微量硼能细化铸造组织 (见图1) 。 最大的特点是硼能在管材内表面富集, 并具有迁移、 占据逃逸锌原子空位、 阻塞锌原子逃离通道的作用, 进而形成防护屏障, 提高合金的耐蚀能力。
表3 样品的力学性能及硬度
Table 3 Mechanical behaviour and hardness of sample
σ b /MPaσ 0.2 /MPaδ /%Ψ /%硬度HB
# 293
114
83
68
57.9
# 317
116
76
76
62.1
# 322
142
76
68
63.6
图1 合金金相组织 (×200)
Fig.1 Metallographic structure
(a) 1# 号样品; (b) 2# 号样品
图2 合金SEM断口形貌像 (×50)
Fig.2 SEM fractograph
(a) 1# 号样品; (b) 3# 号样品
2.2 砷、 硼、 镍、 锰对HSn70-1AB合金腐蚀行为和腐蚀磨损行为的影响
2.2.1 腐蚀行为
3组样品在人造海水中的腐蚀率见表4。
表4 3组样品在人造海水中的腐蚀率 (mm·y-160±2° 118 h)
Table 4 Corrosion index of the samples in ready-mixed seawater
1#
2#
3#
0.046
0.025
0.022
* 人造海水的配方略
HSn70-1系黄铜的腐蚀形态主要是脱锌, 即成分的选择性腐蚀, 是海水中使用黄铜冷凝管破坏的最常见的方式。 As和B均有抑制黄铜脱锌腐蚀能力, 如二者联合使用则可以基本抑制脱锌。 从表4中可以明显看到, 2# , 3# 样品的腐蚀率较1# 样品下降约50%。
1# 样品是只加As未加B, 尚未完全抑制脱锌, 从图3的金相照片上可看出有薄薄的沿晶界脱锌腐蚀, 但加As, B和Ni的2# 样品却观察不到。
2.2.2 腐蚀磨损行为
为了解HSn-70-1AB合金管材在使用中夹泥沙的海水对其冲蚀破坏情况, 作了单元性磨损试验。 3种样品的相对耐磨性为2# 样品是1# 样品的1.7倍, 3# 样品是1# 样品的2倍。 表明加入B, Ni, Mn等合金元素明显改善了铜合金的耐磨性。 图4的SEM磨痕形貌照片表明, 加入B, Ni的3# 样品由于耐蚀性增强, 磨痕为典型犁沟, 而未加B的1# 样品在犁沟中有明显的腐蚀痕迹。 微量元素B, Ni, Mn对合金的强化作用直接表现在合金强度与硬度的提高, HSn70-1AB铜合金耐磨蚀性能的改善也是B, Ni, Mn强化作用的结果。
图3 脱锌腐蚀金相照片 (200×)
Fig.3 Metallograph of dezinc corrosion
(a) 1# 样品; (b) 2# 样品
图4 磨痕形貌 (SEM) (200×)
Fig.4 Track of mill graph (SEM)
(a) 1# 样品; (b) 3# 样品
3 装机实践
白银有色金属公司西北铜加工厂为大同第二电厂、 霍州电厂、 下花园电厂等20余家火力发电厂的装机改造提供各种HSn70-1AB铜管1000余t, 装机使用效果显著、 反映良好。 并为内蒙古电管局提供了二种规格, 总长度为5.26万m 的HSn70-1AB合金多头螺旋槽管, 用于25和100 mW汽轮发电机组凝汽器的高效换热技术改造, 取得明显的增效、 降耗的效果
[2 ]
。
近期, 在哈汽制造厂200 mW凝汽器用管的招标中, 西北铜加工厂的HSn70-1AB冷凝管一举中标, 开创了国内凝汽器制造中使用HSn70-1AB冷凝管的先例。
4 结 论
新研制开发的HSn70-1AB合金由于B, Ni, Mn等合金元素的协同作用比HSn70-1A, HSn70-1B等耐蚀, 尤其耐腐蚀磨损性能, 是一种新型耐冲蚀合金。
2. 由于Ni, Mn合金元素的加入, 使合金的强度提高。 扩口
[3 ]
、 压扁
[4 ]
和旋轧加工表明, 该合金仍保持足够的塑性, 是加工高效换热管的理想合金。
3. HSn70-1AB合金在人造高盐 (4000×106 ) 海水中的静态腐蚀率比HSn70-1A合金降低1倍, 未发现局部脱锌腐蚀; 相对耐磨性比HSn70-1A合金提高2～3倍。
4. 适合于我国大多数火力发电站和海水倒灌电厂对材料耐蚀性的要求。
参考文献
[1] 王东辉, 涂思京, 徐 骏, 等. 25mW汽轮发动机凝汽器用多头螺旋槽管的研制[J].稀有金属, 1999, 23 (增刊) :181.
[2] 王自宽, 齐革军, 等. 多头螺旋槽凝结器节能效果的探讨[J].内蒙古电力技术, 1999, (5) :1.
[3] GB/T2421997《金属管扩口试验方法》.
[4] GB/T2421997《金属管压扁试验方法》.
