核電廠凝汽器泄漏的探究

陳勇

【摘 要】凝汽器作為核電廠生產(chǎn)運行的重要設(shè)備之一，直接影響汽輪機組運行的經(jīng)濟性和可靠性。運行過程中，凝汽器的泄漏會對機組的正常穩(wěn)定運行造成重大的影響，嚴重情況下會導(dǎo)致停機停堆情況的發(fā)生。本文對凝汽器泄漏的原因、凝汽器泄漏的危害和影響、凝汽器泄漏的發(fā)現(xiàn)進行了重點分析，并且提出了凝汽器泄漏的解決方法和預(yù)防措施。

【關(guān)鍵詞】核電廠；凝汽器；泄漏

Analysis of Condenser Leakage In Nuclear Power Plants

CHEN Yong

（CNNP Nuclear Power Operations Management Co.， Ltd.， Haiyan Zhejiang 314300， China）

【Abstract】As one of the most important equipments in the production and operation of nuclear power plant， the condenser has a direct impact on the economy and reliability of the whole unit operation. During operation， the leakage of condenser can have a significant effect on the stability of the operation unit， which might lead to the occurrence of the shutdown. This paper focused on the causes of the condenser leakage， the influence and harm of condenser leakage， the corresponding discovery and preventive measures were addressed.

【Key words】Nuclear power plant； Condenser； Leakage

0 引言

當前，我國核電事業(yè)處于蓬勃展中，安全對于核電廠的生產(chǎn)運行至關(guān)重要，而目前核電廠的發(fā)展方向都朝著更安全、單機容量更大的方向發(fā)展，且大多數(shù)每天都承擔(dān)著基本負荷，所以保證核電廠的各項工作、設(shè)備完好穩(wěn)定運行這對核電廠的經(jīng)濟效益是十分可觀的。凝汽器作為使低壓缸的排汽通過冷卻水的冷卻而凝結(jié)成水并保持真空的重要輔助設(shè)備，對于核電廠正常運行發(fā)電起著至關(guān)重要的作用。但是，凝汽器在經(jīng)過長時間運行后，會因為各種原因造成冷卻管損壞而發(fā)生泄漏，從而引起了設(shè)備停運，延誤了時間，造成了巨大的經(jīng)濟損失（表1）。凝汽器的泄漏將會直接影響凝結(jié)水的水質(zhì)，增加凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的負擔(dān)，進而影響蒸汽發(fā)生器（SG）和汽輪機的使用壽命，所以發(fā)現(xiàn)、處理和防止凝汽器的泄漏是非常重要的。

本文對凝汽器泄漏的原因、凝汽器泄漏的危害和影響、凝汽器泄漏的發(fā)現(xiàn)進行了重點分析，并且提出了凝汽器泄漏的解決方法和預(yù)防措施。

表1 秦山二期凝汽器泄漏事件

1 凝汽器的結(jié)構(gòu)

秦山二期擴建機組的凝汽器主要由接頸、殼體、熱井、水室、排汽接管和接納汽機旁路的12個減溫減壓器組成，3臺凝汽器（殼體）之間由汽平衡管和水平衡管連通。凝汽器在汽端和電機端的殼體上各設(shè)1只本體疏水擴容器（或稱背包）。每個凝汽器殼體下部有4個大支撐座和4個小支撐座，每個凝汽器中心設(shè)有一個死點座，運行時以死點為中心向四周自由膨脹。（循環(huán)）冷卻水由進口（前）水室的入口進入凝汽器，與低壓缸排汽進行熱交換后，從出口（后）水室流出。

圖1 凝汽器的結(jié)構(gòu)

2 核電廠凝汽器泄漏的原因分析

2.1 冷凝器冷卻管破裂

2.1.1 機械撞擊

汽輪機在安裝或者對低壓缸檢修時，在安全措施執(zhí)行不到位的情況下，很容易將一些物品、工具、零部件等掉落砸傷或者砸穿冷卻鈦管，從而造成鈦管的損傷或者凝汽器的泄漏。

2.1.2 硬物劃傷

核電站多建在海邊，目的就是為了能用海水作為冷卻水。而海水中必然含有大量的貝殼石塊和海藻等雜質(zhì)，當經(jīng)過裝有一、二次濾網(wǎng)的循環(huán)水系統(tǒng)中，大部分的雜質(zhì)會被過濾從而未進入鈦冷卻管內(nèi)，通過加氯手段，其中的藻類生物也基本被殺死。但是仍有相當部分的貝殼、泥沙石進入到凝汽器中，卡在鈦管管口的鋒利的貝殼及砂石在連續(xù)大力的水流沖擊下，產(chǎn)生較強的振動和位移，從而劃穿鈦管（壁厚僅為0.5mm）。

2.1.3 抗沖擊區(qū)鈦管厚度不夠

凝汽器最上面一、二層的鈦管承受大量的蒸汽沖擊，設(shè)計上我們稱之為抗沖擊區(qū)，通常此區(qū)域的鈦管厚度要厚一些，當我們的設(shè)計厚度不夠或者經(jīng)過長時間的熱沖擊時，則就會容易造成損害泄漏。

2.1.4 管堵材質(zhì)選擇不當

堵頭選材的錯誤、使用膨脹性能和耐腐蝕性能不好的管堵（黃銅堵、臘木、膨脹不銹鋼螺栓堵等、堵頭的加工尺寸不合適、堵頭松動、脫落、腐蝕、老化等都會使凝汽器鈦管產(chǎn)生泄漏。

2.2 冷卻管和管板脹管處密封不嚴

凝汽器冷卻管和管板的連接形式是影響凝汽器水密性的主要因素，從冷卻管和管板連接的角度出發(fā)考慮，為了設(shè)計出無泄漏的凝汽器，主要從以下兩個方面研究考慮：一方面，提高連接強度和密封性從而提高連接接頭的可靠性，改進其連接形式，采用封焊連接形式。另一方面，采用雙管板結(jié)構(gòu)，雙管板結(jié)構(gòu)的采用可有效徹底隔離冷卻水和蒸汽空間，因為在雙管板的中間空間充有壓力較高的除鹽水，可有效阻止水室內(nèi)的冷卻水通過管口泄漏。這樣，即使連接接頭發(fā)生了泄漏，冷卻水也不至于漏入到凝汽器蒸汽空間中去。此外，同時可通過除鹽水水位的變化，從而判斷出具體是哪塊管板發(fā)生泄漏， 以便及時進行檢修。

凝汽器鈦管一般采用脹管法，通過采用脹管器擴大管口直徑，使管子與端頭管板緊密接觸。在機組的運行中，這種先進的工藝方法能夠保持連接處具有高度的嚴密性，并且在脹管后再用氬弧焊的方法使管端與管板焊接在一起，進一步提高管口的強度和嚴密性。但是在制造、使用和維護等原因不可避免會產(chǎn)生個別鈦管管端與管板焊接部位有缺陷，造成凝汽器微漏。

秦山二期3/4號機組凝汽器的殼體設(shè)有4組冷卻管束，管子兩端脹接在復(fù)合管板上，在前后管板間設(shè)有多塊隔板以支托冷卻管束，并使管子和管板緊密接觸，以改善管子的震動，避開共振。在前、后管板內(nèi)側(cè)下方，設(shè)有檢漏用收集裝置，測量凝結(jié)水的含鹽量，從而可以確定管子的破裂區(qū)域。殼體的兩端用焊接方式將管板固定在殼體上，并用較薄的鋼板作為擾性過渡，用于補償冷卻管和殼體間的熱膨脹差。

3 凝汽器泄漏的危害和影響

3.1 凝汽器泄漏對熱力系統(tǒng)的影響

凝汽器泄漏是核電廠汽水品質(zhì)不合格的主要原因。圖1為凝汽式發(fā)電廠汽水循環(huán)系統(tǒng)圖，從圖1可以看出，凝汽器的泄漏會使整個熱力系統(tǒng)的水質(zhì)都發(fā)生變化。圖2為凝汽器泄漏后的連鎖反應(yīng)圖，從圖2可以進一步清晰的看到，凝汽器的泄漏將使整個熱力系統(tǒng)的水質(zhì)都處于不合格的范圍內(nèi)。

圖2 凝汽器泄漏后的連鎖反應(yīng)圖

圖3 凝汽式發(fā)電廠水汽循環(huán)系統(tǒng)圖

3.2 凝汽器泄漏對熱力系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生的危害

當凝汽器發(fā)生泄漏時，即使少量的海水進入到凝結(jié)水中，都將會使凝結(jié)水水質(zhì)嚴重惡化，海水的進入會造成凝結(jié)水中Ca2+，F(xiàn)e3+，Na+，Mg2+，Cl-， NO3-，HCO3-， SO42-等含鹽量的增加，惡化的凝結(jié)水水質(zhì)會造成給水硬度偏高，從而導(dǎo)致管壁的結(jié)垢和腐蝕。由于產(chǎn)生水垢后的管壁導(dǎo)熱系數(shù)很差，形成水垢的化學(xué)成分不同，內(nèi)部的空隙、縫間也都不同，所以產(chǎn)生水垢區(qū)域的導(dǎo)熱系數(shù)都不同，從而造成了極大的傳熱不均勻，嚴重的時候會導(dǎo)致熱負荷高的區(qū)域有爆管的風(fēng)險。其中，對SG設(shè)備的影響尤為嚴重。秦山第二核電廠的給水流量約4000t/h，排污流量約40t/h，即排污率約1%。壓水堆蒸汽發(fā)生器的蒸汽干度要求99.75%以上，秦山第二核電廠的干度達到99.9%。若給水中含有0.1ppb（即0.1mg/t）的鈉離子，假設(shè)C 為蒸汽發(fā)生器排污水中的鈉離子濃度，它與蒸汽發(fā)生器爐水中的鈉離子是一致的。以99.75%干度（即濕度為0.25%）進行計算：

4000t/h×0.1mg/t=（4000-40）t/h×0.25%×C+40×C，

計算得到 C=8.0mg/t。

排污水與給水中的鈉離子濃度之比為 80，即濃縮倍率達到80倍。若干度以99.9%計算，則濃縮倍率更高，達到90倍。反之，若蒸汽發(fā)生器排污水中鈉離子控制在1ppb 以下，則給水中的鈉離子要求接近0.01ppb，這樣的濃度通過常規(guī)監(jiān)測手段已經(jīng)無法實現(xiàn)。

國外研究表明，在蒸汽發(fā)生器的滯流區(qū)、沉積物和縫隙內(nèi)，雜質(zhì)很容易濃縮，在縫隙內(nèi)陰陽離子濃縮率甚至可以達到104～105倍以上，因此在縫隙中雜質(zhì)離子如鈉、氯等都有可能達到很高的濃度而使縫隙中發(fā)生局部腐蝕現(xiàn)象。因此，一旦發(fā)現(xiàn)泄漏問題，必須立即處理，否則會對SG設(shè)備造成嚴重的危害，同時在日常的正常工作運行中，也必須嚴格控制鈉、氯、硫酸鹽等雜質(zhì)的濃度。

3.3 凝汽器泄漏對核電廠機組運行的影響

表2、表3為壓水堆核電站二回路和火力發(fā)電機組主要化學(xué)參數(shù)的對比，通過對比發(fā)現(xiàn)壓水堆核電站二回路水汽系統(tǒng)對水汽質(zhì)量的要求高得多；同時，二回路的水質(zhì)的控制對于核電廠機組的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。當凝汽器發(fā)生較大海水泄漏時，如果精處理系統(tǒng)沒有投運，那么海水會很快進入SG，從而導(dǎo)致SG水質(zhì)惡化。圖3為SG水化學(xué)的技術(shù)規(guī)范圖，從圖中可以看出凝汽器的泄漏量對機組的運行有著很大的影響。當海水的泄漏率約10L/h，一小時內(nèi)SG水中鈉離子含量將達到100ppb以上，則按照運行技術(shù)規(guī)格書的要求，機組的功率必須降至30%且限定100h運行；當海水的泄漏率約40L/h，那么1h內(nèi)SG水中鈉離子就可以達到500ppb從而要求機組直接停堆。

表2 壓水堆核電站二回路和火力發(fā)電機組主要化學(xué)參數(shù)對比（一）

表3 壓水堆核電站二回路和火力發(fā)電機組主要化學(xué)參數(shù)對比（二）

圖4 SG水化學(xué)技術(shù)規(guī)范圖

3.4 凝汽器泄漏對核電廠WANO化學(xué)指標的影響

世界核營運者協(xié)會 WANO（World Association of Nuclear Operators）擁有著一整套指標體系來對世界各個核電站的運行業(yè)績進行評估，化學(xué)指標就是其中重要的一個。不同的堆型，采用不同蒸汽發(fā)生器傳熱管材料的化學(xué)指標計算公式也不同，其中最多的是采用Inconel 690/600 材料的壓水堆核電廠。WANO 化學(xué)指標（CPI）的計算方法（PWR，Inconel 690/600）如下：

CPI

其中 0.8、1.6、1.7、5.0、0.2 分別為目前國際核電業(yè)界蒸汽發(fā)生器水質(zhì)中的鈉離子、氯離子、硫酸根及給水中的鐵和銅含量的平均值。計算時若本電廠的這些參數(shù)小于這些平均值，則取平均值進行計算，即WANO 化學(xué)指標的最小值為1。只有當功率高于30%后的化學(xué)數(shù)據(jù)才用于計算，一般每月或者每季度計算一次，年度值取季度加權(quán)平均值。

可見，WANO 化學(xué)指標直接反映了二回路水質(zhì)特別是蒸汽發(fā)生器水質(zhì)狀況。而凝汽器的泄漏會帶入各種雜質(zhì)離子并極大的對SG水質(zhì)產(chǎn)生影響，從而嚴重影響了整個核電廠的WANO 化學(xué)指標。

4 凝汽器泄漏的發(fā)現(xiàn)

凝汽器泄漏的發(fā)現(xiàn)通常通過電導(dǎo)率與某些元素的離子濃度來判定。通常凝汽器泄漏后會出現(xiàn)凝結(jié)水泵出口母管電導(dǎo)率高報警；高加給水總管陽電導(dǎo)高；蒸汽發(fā)生器的電導(dǎo)和鈉離子濃度升高等現(xiàn)象。當出現(xiàn)管板密封處泄漏時，凝汽器管板密封取樣裝置的電導(dǎo)率有可能上升。當蒸汽發(fā)生器排污的電導(dǎo)率、Na+以及凝泵出口的Na+、電導(dǎo)率有上升趨勢時，則基本判斷凝汽器的鈦管有泄漏。

對于秦山二期3/4號機組而言，當發(fā)現(xiàn)凝汽器海水泄漏時，可以通過對蒸汽發(fā)生器、凝汽器、1/6 凝汽器的水質(zhì)分析來確認在線表的結(jié)果，確定是否有海水泄漏。一般凝泵出口鈉離子、氯離子大于5ppb，凝汽器熱阱發(fā)生海水泄漏的那一列中鈉離子、氯離子會大于 30ppb，則認為有海水泄漏較大。通過機組有關(guān)參數(shù)及水質(zhì)分析結(jié)果可以估算海水泄漏率。以 CEX 泵出口母管水質(zhì)來估算泄漏率：

泄漏率 F= CX×QCEX/ CCRF

其中：CX=凝結(jié)水中某物質(zhì)濃度（鈉或氯離子）

QCEX=凝結(jié)水流量

CCRF=CRF 海水中某物質(zhì)濃度（鈉或氯離子）

在2015年3月份開始秦山二期發(fā)生的凝汽器鈦管泄漏中，其中，4 月 8 日出現(xiàn)泄漏，鈉含量峰值為 5.5ppb，凝結(jié)水流量 2400t/h，CRF海水中鈉含量約 3072ppm，從而計算得出峰值時海水泄漏率為 4.3L/h，根據(jù)判斷，化學(xué)人員建議實施查漏工作，經(jīng)電廠領(lǐng)導(dǎo)和各部門討論后確定立即實施查漏方案。

5 凝汽器泄漏后的處理

凝汽器鈦管海水泄漏對二回路的水質(zhì)有著非常大的影響，根據(jù)二回路水體積和凝結(jié)水流量可以估算滿功率運行時海水泄漏污染整個給水系統(tǒng)并到達蒸汽發(fā)生器所需的時間：

T=系統(tǒng)水量/凝結(jié)水流量≈ 800t/（2400t/h）=20min。

因此，對于核電廠而言，當通過陽離子和電導(dǎo)率等分析確定海水已經(jīng)漏入到凝汽器后，對于及時的查漏處理顯得尤為關(guān)鍵，及時處理可有效避免停機停堆情況的發(fā)生。我們通常采用以下步驟來進行處理，首先（1）確認發(fā)生泄漏事故后，盡可能快的速度將凝結(jié)水經(jīng)ATE陽床和混床進行全流量處理。（2）SG排污水的水質(zhì)根據(jù)技術(shù)規(guī)范的要求，當水質(zhì)處于四區(qū)時，則根據(jù)要求進行降負荷到30%的功率。降低功率導(dǎo)致進入SG的給水流量降低，而APG的排污流量不變，則可降低蒸發(fā)器內(nèi)部的雜質(zhì)的濃縮倍數(shù)，減緩水質(zhì)的惡化趨勢。（3）在增加ATE處理流量的同時，及時確認凝泵出口的Na+、電導(dǎo)率及SG排污的電導(dǎo)率及Na+是否有上升趨勢，如上升則基本判斷為凝汽器的鈦管泄漏。如果凝汽器管板與鈦管脹管處泄漏，凝汽器熱阱取樣的電導(dǎo)率則伴隨有上升趨勢。（4）在凝汽器鈦管確認泄漏后，立即對凝汽器熱阱進行逐個取樣分析，盡快確認泄漏點所對應(yīng)的凝汽器（A測或B測），并及時進行隔離。（5）在隔離初步判斷的凝汽器之后，立即檢查凝泵出口母管Na+，凝泵出口母管的電導(dǎo)率的變化趨勢，若這些指標在下降則表明隔離基本正確；若保持不變則隔離錯誤，需要恢復(fù)隔離的列，并重新判斷凝汽器泄漏點所在列重復(fù)上述操作。

凝汽器查漏的方法多種多樣，表4為核電廠常用的凝汽器查漏方法，在日常的泄漏事件中往往也采用復(fù)合型查漏方式進行查找，在2015年3月份秦山二期發(fā)生的凝汽器鈦管泄漏就采用了先對整體鈦管進行了氦檢漏試驗（圖 4），確定凝汽器鈦管存在泄漏，接著采用薄膜法進行查漏（圖 5），發(fā)現(xiàn)了一根鈦管存在著明顯泄漏，然后采用單管氦查漏法對疑似破損鈦管進行確認，確認完畢后對凝汽器泄漏鈦管進行了堵管操作（圖 6），最終再次進行整體氦查漏，確認泄漏已消除。

6 如何避免凝汽器泄漏

6.1 改變腐蝕環(huán)境

（1）在使用海水作為冷卻劑的過程中，往往帶著許多藻類在其中，而附有藻類的鈦和鈦合金在使用一段時間后，其會產(chǎn)生極強縫隙腐蝕，所以我們盡量避免藻類物質(zhì)生長在鈦管上，通常我們采用加入次氯酸鈉的方法消除藻類對鈦管的影響。

（2）嚴格按照相關(guān)的標準控制凝結(jié)水、給水水質(zhì)，同時，密切監(jiān)視相關(guān)水質(zhì)檢測結(jié)果，時刻發(fā)現(xiàn)問題。

6.2 改變腐蝕主體的耐腐蝕性

（1）采用粉刷防腐漆或者防腐涂料等手段加強耐腐蝕性。

（2）不斷研究創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)更加新型的耐腐蝕材料的換熱器。

6.3 規(guī)范安裝，加強監(jiān)督管理

（1）物體高空墜落砸傷鈦管的損傷，在日常的工作中，要嚴格制定相關(guān)程序，防止使用的工具、零部件和相關(guān)材料由于管理使用不當落到凝汽器鈦管上，從而對凝汽器鈦管造成損傷。

（2）海水中的貝殼類硬物、泥沙石等是造成凝汽器鈦管劃傷的主要原因，為防止這些物體進入到凝汽器鈦管，可考慮在凝汽器鈦管的入口處安裝塑料套管或者二次濾網(wǎng)。

（3）在凝汽器鈦管檢修時，采用探傷等手段對鈦管進行檢查，將發(fā)現(xiàn)有缺陷的鈦管在未泄漏之前就采用管堵進行封閉，并且在汽側(cè)凝結(jié)水查找是否有漏點遺漏，將缺陷風(fēng)險降低至最低。

（4）凝汽器鈦管較薄，強烈的震動易造成斷裂。因為磨損和震動都有造成泄漏的可能，所以檢修及查漏時應(yīng)該盡量避免強烈震動的發(fā)生。

（5）在無氧以及弱酸性溶液的情況下，鈦不易因為形成鈍化膜而使其電位變負，因此停機時凝汽器應(yīng)該放水并吹干，從而保證鈦管處于富氧狀態(tài)下停用。

7 結(jié)論

本文首先通過對冷凝器冷卻管破裂及冷卻管和管板脹管處密封不嚴對核電廠凝汽器泄漏的原因進行了分析；接著從凝汽器泄漏對熱力系統(tǒng)的影響、對熱力系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生的危害、對核電廠機組運行的影響和對核電廠WANO化學(xué)指標的影響四個方面分析了凝汽器泄漏的危害和影響；同時，闡述了通過電導(dǎo)率與某些元素的離子濃度來判定凝汽器泄漏的狀況以及發(fā)生凝汽器泄漏后的處理步驟；最后，通過如何改變腐蝕環(huán)境、改變腐蝕主體的耐腐蝕、規(guī)范安裝，加強監(jiān)督管理三個方面提出了凝汽器泄漏的預(yù)防措施。

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[責(zé)任編輯：湯靜]