冷凝器換熱管的失效分析及防范措施
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劉影恬 倪桂兵 成鑫 袁勝濤 蒲品菁
(1．蘇州熱工研究院有限公司 蘇州 215004)
(2．福建寧德核電有限公司 寧德 355200)
摘要：冷凝器傳熱管是電站二三回路重要邊界，一旦傳熱管發(fā)生泄漏將導(dǎo)致二回路水質(zhì)不合格，因此傳熱管的好壞對機(jī)組的安全運(yùn)行有重大影響。本文例舉了兩個(gè)冷凝器傳熱管失效的案例并簡要分析了失效原因，其一是某電廠冷凝器運(yùn)行約2月后即發(fā)生傳熱管的泄漏事故，其二是某電廠冷凝器在運(yùn)行8年后發(fā)現(xiàn)傳熱管出現(xiàn)嚴(yán)重減薄及腐蝕產(chǎn)物沉積的現(xiàn)象。為了減少類似的失效事件，目前已經(jīng)在制造安裝階段和在役階段采取了一系列的防范措施。
關(guān)鍵詞：冷凝器換熱管失效案例 防范措施制造安裝在役檢查
冷凝器是表面式熱交換器，循環(huán)冷卻水（海水）在冷凝器換熱管束內(nèi)流過，冷凝管束外的蒸汽。以國內(nèi)某核電廠為例，每臺機(jī)組冷凝器均含有4個(gè)水室，每個(gè)水室有16052根換熱管，每根換熱管長16.471m，外徑22.225mm，壁厚分為0.7mm和0.5mm兩種，兩端固定于35mm厚的管板，中間直管區(qū)由22塊14mm厚的支撐板予以支撐。機(jī)組運(yùn)行期間，一旦換熱管發(fā)生泄露，將會導(dǎo)致三回路海水進(jìn)入二回路，使水質(zhì)鈉含量超出化學(xué)技術(shù)規(guī)范要求，并最終導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)停堆。因此冷凝器換熱管的質(zhì)量對機(jī)組效率有很大影響。本文例舉了兩個(gè)冷凝器傳熱管失效的案例，簡要分析了失效原因，并歸納了制造安裝階段及在役期間預(yù)防傳熱管失效的措施。
1失效案例
1.1案例一
某國內(nèi)生產(chǎn)的冷凝器投運(yùn)不久就發(fā)生泄漏，導(dǎo)致機(jī)組狀態(tài)被迫后撤。調(diào)試期間，冷凝器進(jìn)海水后發(fā)現(xiàn)鈦管與管板的焊縫有銹跡，隨后的檢查中還發(fā)現(xiàn)焊縫成形不好、補(bǔ)焊、漏焊、欠脹、脹接不均、管內(nèi)壁劃痕、管內(nèi)壁打磨、焊縫顏色異常等缺陷。共處理焊縫缺陷幾千多處，有缺陷記錄的換熱管近萬根。
該機(jī)組進(jìn)行100%甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)后，兩根換熱管發(fā)生斷裂，對缺陷管拔管后發(fā)現(xiàn)與泄漏管相鄰的換熱管外表面存在徑向磨痕（見圖1）。檢查發(fā)現(xiàn)冷凝器頂層換熱管和指縫換熱管間均存在互磨。國內(nèi)某研究院分析后發(fā)現(xiàn)裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋，起源于鈦管外表面的焊縫處（如圖2所示）；裂紋的產(chǎn)生主要與鈦管振幅過大導(dǎo)致互磨，并由此產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力有關(guān)。此外考慮到1）在現(xiàn)場檢查換熱管的缺陷點(diǎn)周圍無異物，換熱管表面無變形；2）從缺陷點(diǎn)周邊鋼梁上的水溶漆判斷，蒸汽未對換熱管直接沖刷；3）冷凝器運(yùn)行約兩月。事件原因并非落物砸傷或沖刷，而是鈦管本身的質(zhì)量問題，很可能是由于設(shè)備制造、安裝不當(dāng)，導(dǎo)致鈦管出現(xiàn)小缺陷并進(jìn)一步擴(kuò)展成裂紋�，F(xiàn)場采取了焊縫手工補(bǔ)焊、渦流檢查后堵管及預(yù)防性堵管等手段，機(jī)組運(yùn)行后水質(zhì)正常。
1.2案例二
國內(nèi)某電廠一冷凝器運(yùn)行8年后．發(fā)現(xiàn)部分管束出現(xiàn)嚴(yán)重減薄，且主要出現(xiàn)在支撐板附近。檢查發(fā)現(xiàn)支撐板發(fā)生了不同程度的腐蝕，最嚴(yán)重的發(fā)生在管板與第一塊支撐板之間，黑色的腐蝕產(chǎn)物沉積在支撐板附近的許多管束上（見圖3）。對沉積物進(jìn)行能譜分析后，發(fā)現(xiàn)其主要由67.10%鐵元素、29.34%氧元素和3.56%鈦元素組成。經(jīng)X射線衍射分析，腐蝕產(chǎn)物為Fe304，主要來源于由碳鋼制成的支撐板在缺氧條件下發(fā)生的電偶腐蝕。同時(shí)由于支撐板是垂直的，在重力作用下，腐蝕產(chǎn)物向內(nèi)部鉆孔處堆積。研究表明鈦管減薄是由鉆孔加工不合理、腐蝕產(chǎn)物在孔內(nèi)的堆積以及雜質(zhì)顆粒造成的偏心接觸摩擦與三體接觸摩擦的共同作用（見圖4）。
換熱管失效案例還有E311反應(yīng)冷凝器部分換熱管發(fā)生腐蝕減薄現(xiàn)象，分析發(fā)現(xiàn)在冷凝器殼側(cè)出口的氣液兩相處流速變化大，產(chǎn)生渦流，對管壁表面的氧化物層產(chǎn)生機(jī)械磨損，并與不斷露出的金屬新鮮表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕。此外也有人提出造成鈦管失效的因素是管內(nèi)壁的疲勞腐蝕。
2制造安裝階段防范措施
為避免失效，對冷凝器廠家提出了相應(yīng)的要求，制定了避免缺陷產(chǎn)生的多項(xiàng)措施。
1)設(shè)備制造階段防止鈦管劃傷：
(1)對“管板孔倒角后雙面100%去毛刺”進(jìn)行抽查；
(2)對“穿管前檢查管板管孔是否有焊痘”進(jìn)行100%復(fù)查，杜絕管板上靠近焊縫處的管口內(nèi)殘留焊痘；
2)防止鈦管焊口的焊前污染，高度重視各個(gè)環(huán)節(jié)清潔度的檢查和控制：穿管前對鈦管、管板、支撐板的清潔狀況進(jìn)行抽查，要求工人勤換手套；
3)對焊后PT嚴(yán)格控制：
(1)要求廠家配備足夠無損檢測人員，并給出足夠的時(shí)間；
(2)滲透劑、顯像劑應(yīng)覆蓋整條焊縫；
(3)觀察缺陷時(shí)從3個(gè)方向觀察，每個(gè)方向覆蓋120。，特別注意仰視方向。
4)現(xiàn)場安裝階段防異物損傷及管板銹蝕：
(1)現(xiàn)場應(yīng)搭設(shè)一由木板、防火布、鍍鋅鐵皮組成的防火防落物的工作平臺，該平臺在冷凝器灌水試驗(yàn)、汽輪機(jī)噴淋裝置安裝等工作全部完成后才拆除，保證鈦管免受落物打擊；
(2)現(xiàn)場貯存及安裝過程中對冷凝器管板的出廠包裝進(jìn)行保護(hù)，防止管板銹蝕。
5)安裝完成后進(jìn)行灌水試驗(yàn)等檢查。
3在役期間防范措施
渦流檢驗(yàn)技術(shù)不僅對已泄漏的換熱管有很高的檢出率，而且對管壁腐蝕和沖刷減薄有準(zhǔn)確的預(yù)見性。為避免機(jī)組運(yùn)行期間發(fā)生冷凝器鈦管泄漏，大修期間應(yīng)對冷凝器鈦管進(jìn)行渦流檢查，監(jiān)督鈦管狀態(tài)。
3.1檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要為：GB/T 12604.6無損檢測術(shù)語渦流檢測；GB/T 12969.2鈦及鈦合金管材渦流檢測方法；GB/T 14480渦流探傷系統(tǒng)性能測試方法。
3.2檢驗(yàn)設(shè)備
用于冷凝器鈦管渦流檢查的渦流探傷儀具有多頻檢測功能和快速電子自動(dòng)平衡功能。一般采用差動(dòng)內(nèi)插式探頭，探頭的選擇在保證合適的填充系統(tǒng)情況下，還取決于鈦管是否有變形、內(nèi)壁沉積物等因素造成的焊接鈦管內(nèi)徑全部或局部變小的情況。
標(biāo)定管由凝汽器制造廠家提供的無缺陷的鈦管制作，采用電火花加工，根據(jù)ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加工，人工傷為通孔孔徑為≯1.50mm，80%、60%、40%、20%、10%外壁減薄平底孔及10%內(nèi)壁減薄環(huán)。
3.3被檢對象
此處僅以國內(nèi)某電廠為例，其冷凝器熱交換管材料為焊接鈦管，分兩種規(guī)格矽22.225mm×0. 7mm×16471mm和≯22.22smm×0.5mm×16471mm。
3.4檢查計(jì)劃
現(xiàn)場在冷凝器完成安裝調(diào)試后，進(jìn)行100%換熱管檢查，對發(fā)現(xiàn)問題的換熱管進(jìn)行了堵管處理。在機(jī)組每10年進(jìn)行的長大修期間，對所有換熱管進(jìn)行檢查；在歷次短大修中，每次對壁厚0.7mm的換熱管全部檢查，對壁厚0.5mm的換熱管進(jìn)行1／8抽樣檢查。
鈦管渦流檢驗(yàn)的難點(diǎn)就是鈦管兩端的盲區(qū)無法很好的檢測到，此區(qū)域渦流場發(fā)生畸變，使缺陷信號難于檢測，實(shí)際中可采用滲透檢驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充。
4結(jié)束語
通過在制造安裝階段和在役階段采取防范措施，保證了冷凝器的質(zhì)量，將冷凝器換熱管的泄漏發(fā)生率降到最低，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行。
