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钛管在舰船制造中的应用前景

发布时间:2021-10-01 16:16:38 浏览次数 :

引 言

舰船冷凝器是保证舰船核动力装置及蒸汽动力装置正常运转所不可缺少的重要组成部件,而且在金属消耗、动力消耗和投资方面在整个工程中占有重要份额。因此,提高冷凝管的 换热性能,获得更加紧凑、可靠及高的冷凝设备,这将对整个动力装置总体性能的改善起着举足轻重的作用。与此同时,将此项技术推广应用于石油、化工、动力、冶金、交通、制冷和空调等国民经济领域中,必将带来可观的社会效益和经济效益。

钛管

对于用海水作冷却介质的舰船冷凝器而言,其冷凝管材一般选用海军黄铜或铜镍合金。但是,海水特别是被城市废水污染的海水,往往含有硫化氢,致使冷凝管受到剧烈腐蚀,不断发生种种泄漏事故,运行的可靠性和维修性较差,不能完全满足舰船条件和使用要求。

随着稀有金属工业的发展,人们注意到有“崛起的第三金属”之称的新型工程金属材料钛与目前广泛应用的铜镍合金冷凝管材相比具有重量轻、强度大、比强度(抗拉强度,密度)高、耐海水腐蚀能力强、表面光洁、不易结垢等许多优良特性。

1、采用钛冷凝管的优越性

1.1 钛材的物理性能和力学性能

与铜镍合金相比,金属钛具有重量轻、强度大、比强度高等许多优良特性。钛冷凝管与B30冷凝管相比,比重降低近1/2。因此,采用钛材可使冷凝器的重量大幅度减小。

1.2 钛材的耐腐蚀性能

钛冷凝管与其他材料的冷凝管相比具有较好的综合的耐腐蚀性能。文献中所给出的各种管材的耐腐蚀性能级别分类表很直观地表明钛是一种最耐腐蚀的冷却管材。由于钛在所 有浓度的硫化物中都不受腐蚀,所以钛不仅在洁净的海水中完全耐腐蚀,而且在含硫化物的污染海水中也具有良好的耐蚀性。同时钛在水速高达加s和含砂量高达40g/l的条件下, 均具有优良的耐腐蚀性能。因此,采用钛冷凝管是解决舰船冷凝器冷凝管腐蚀问题的一条重要途径。

2、钛冷凝管应用中的问题

钛冷凝管与其他材料冷凝管相比,在某些方面也存在一些缺点。这些缺点导致钛冷凝管的推广应用出现了一些问题。这些问题通过20多年来包括我国在内的世界各国的大量试 验研究和实际运行经验的总结,已基本得到解决。

2.1 钛冷凝瞥的传热性能

钛冷凝管的导热系数约为B30的58.4% ,其导热性能较差,但是冷凝器的传热性能并不主要取决于冷凝管材的导热系数,它还与冷凝管的管壁厚度、蒸汽侧和冷却水侧的对流换热 系数以及运行期间冷却管壁面的结垢状况等一系列因素有关。

为了进行比较,在管内为水工质、管外为蒸汽的情况下,我们对 16.0 x 0.75TA2纯钛管和 16.0x 1.4B3o铜镍合金管进行了对比实验研究。在壳侧压力保持不变的前提条件下, 研究了总传热系数K,管内对流换热系数h ,管外凝结换热系数h。随水流量的变化关系。每次试验不少于10个试验点,并进行了大量的重复试验,获得了一系列基础性实验数据。

这种管子在略高于大气压条件下的对比实验结果如图1,2和3所示。

图1给出了内侧传热系数和雷诺数的关系曲线。曲线形状与冷却水侧的雷诺数冠有关。

当雷诺数 增加时,内侧传热系数也增加。这是由于雷诺数 增大时,冷却水量增加,冷却水流速随之增大,加大了管内流体的湍流度,减薄了层流底层的厚度,二者都将降低对流热阻,故不论是B30铜镍台金管或是TA2纯钛管,内侧传热系数均有较大提高。

钛冷凝管的传热性能

图2给出了管外凝结换热系数和管内冷却水雷诺数的变化关系。随着冷却水侧雷诺数的增加,总换热量不断增加,蒸汽凝结热负荷随之逐渐增大,蒸汽的凝结量逐渐增大,管子外表面凝结液膜逐渐变厚,管外凝结换热系数逐渐下降。

图3给出了总传热系数和管内冷却水雷诺数的变化关系。随着冷却水侧雷诺数的增加,虽然管外凝结换热系数逐渐下降,但下降幅度并不大。而内侧传热系数增加的幅度较大。在 蒸汽冷凝过程中,冷却水侧的对流换热热阻是冷凝管的主要控制热阻,所以内侧传热系数增大的影响是主要的,因而总传热系数随着冷却水侧雷诺数的增加而增加,并逐渐达到最大值。

但不同管材总传热系数的提高幅度有所不同。

观察图3可以进一步发现,在雷诺数Re相同的情况下,B30铜镍管的总传热系数 比纯钛管的要高。这主要是由于B30铜镍合金的导热能力优于纯钛材的结果。不过也可以看到,    尽管钛材的导热系数仅为B30铜镍合金管材的58.4%,考虑到钛材具有良好的机械性能和耐腐蚀性能,通过采用薄壁钛管可以弥补以上不足。 16.0 x0.75钛管的总传热系数约为B30铜镍合金管的96.3%.为便于比较,实验中对B30铜镍管及TA2纯钛管的表面进行了特殊处理,以确保表面呈膜状凝结。

试验结果表明,考虑到钛具有良好的机械性能和耐腐蚀性能,因而可以通过采用薄壁钛管和使用强化传热表面来弥补以上不足。另外,钛管在使用过程中具有表面光洁、不易结垢 的优良特性,所以在实际应用中钛管的导热性能仍优于其它管材。针对用海水作冷却介质的冷凝设备而言,钛材具有非常广阔的应用前景。

总传热系散和管内冷却水雷诺散的关系

2.2 钛冷凝器的经济性问题

钛冷凝器的造价虽然高一些,一次性投资大一些,但由于钛的密度小,比强度高,在设计与制造同样设备时与传统材料B30铜镍合金相比,投料可减少一半。且由于其使用寿命长,因而相应的年投资费用不高。此外,钛材耐海水腐蚀能力强,在整个运行期间可以避免因冷凝管事故而带来的检修、检漏、换管、堵管和停机等引起的大量损失,大大提高了运行的安全可靠性,降低了运行成本。因此,从长期运行的经济性角度来讲,薄壁钛管冷凝器的综合经济效益仍优于其它管材冷凝器。

综上所述,钛材是一种理想的舰船冷凝器材料。因此,针对海水的严重腐蚀现象,比强度高、耐海水腐蚀能力强的钛材开始备受青睐。自50年代末期英国使用全钛冷凝器获得成功以来,美、意、法、德等国家电厂中全钛冷凝器的发展进程也十分迅速,我国上海金山、浙江镇海和台州等电厂也采用了全钛冷凝器。

大量的运行实践表明,这些全钛冷凝器均达到了设计要求,它开创了我国使用全钛冷凝器的新局面。然而目前我国现有舰船冷凝器的冷凝器材采用的均是B30铜镍合金,因此,从长远的观点来看,用性能优异的钛材取代传统的铜镍合金无疑是我国舰船冷凝器的未来发展方向。

3、结论

考虑到钛具有良好的机械性能和耐腐蚀性能,针对用海水作冷却介质的冷凝设备而言,钛材具有非常广阔的应用前景。因此,从长远的观点来看,用性能优异的钛材取代传统的铜镍合金无疑是我国舰船冷凝器的未来发展方向。

参考文献

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【2】陆裕湘.电站冷凝器用钛管的超声探伤[J].上海金属(有色分册),1990,11(2):18一20.

【3】张卓澄.大型电站凝汽器[M].北京:机械工业出版社,1993.

【4】万嘉札.机电工程金属材料手册【M】.上海:上海科学技术出版社,1990.

【5】刘润泽,李中,陈正云,等.新型工程金属钛的应用[J].钛工业进展,l998(1):3—5.

【6】汪珂,马慧娟.钛[J].钒钛,1996(5,6):1—3.

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