核電廠板式熱交換器的泄漏原因

賴 平,孟銘強(qiáng),張樂(lè)福(上海交通大學(xué) 核能科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

核電廠板式熱交換器的泄漏原因

賴 平,孟銘強(qiáng),張樂(lè)福
(上海交通大學(xué) 核能科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

采用沖刷腐蝕試驗(yàn)研究了某核電廠SEM板式熱交換器的泄漏原因。結(jié)果表明：穿孔泄漏的直接原因是海水中泥沙含量大；泥沙等在流道內(nèi)沉積，造成流道變窄，使得流速增大是穿孔泄漏的根本原因。

板式熱交換器；沖刷腐蝕；核電廠；措施

板式換熱器是一種換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的換熱設(shè)備,具有占地面積小、節(jié)約材料、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、石化、冶金和電力等領(lǐng)域[1]。國(guó)內(nèi)核電廠閉式冷卻水系統(tǒng)多采用板式熱交換器作為熱交換器，利用海水作為冷卻介質(zhì)，以冷卻閉式循環(huán)水系統(tǒng)中的除鹽水[2-3]。

國(guó)內(nèi)某核電廠3號(hào)機(jī)組在投運(yùn)不到1 a，常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)的板式換熱器出現(xiàn)大量板片穿孔泄漏事件，穿孔片數(shù)累計(jì)達(dá) 239片[2]。田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組商業(yè)運(yùn)行系統(tǒng)自2007年正式運(yùn)行以來(lái)，其板式換熱器故障不斷[3]。秦山第二核電廠的板式換熱器在運(yùn)行中頻繁發(fā)生穿孔泄漏問(wèn)題[4]。穿孔導(dǎo)致?lián)Q熱器除鹽水側(cè)與海水側(cè)相通，造成大量除鹽水泄漏。同時(shí)，海水也可通過(guò)穿孔進(jìn)入冷卻水側(cè)，影響除鹽水水質(zhì)，對(duì)閉式冷卻水系統(tǒng)安全造成威脅。

本工作通過(guò)分析板式熱交換器板片腐蝕穿孔的原因，同時(shí)提出了減輕穿孔、提高設(shè)備可靠性的預(yù)防措施，以期為保證設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)在專門搭建的小型模擬海水試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。在水箱中配好試驗(yàn)所需的含沙量不同的模擬海水，由變頻循環(huán)泵經(jīng)流量計(jì)，將模擬海水按所需流量通入試驗(yàn)段，控制溶液流速、溫度和含沙量，對(duì)試樣進(jìn)行單面沖刷腐蝕。圖1為試驗(yàn)回路原理圖及實(shí)物圖。

(a) 原理圖 (b) 實(shí)物圖圖1 試驗(yàn)回路原理圖及實(shí)物圖Fig. 1 Schematic diagram (a) and physical diagram (b) of the experiment system

試驗(yàn)段使用可拆卸結(jié)構(gòu)，方便試樣拆下及固定，在試驗(yàn)段內(nèi)改變流道的尺寸，可使本裝置同時(shí)進(jìn)行三種流速條件的試驗(yàn)，加快了試驗(yàn)進(jìn)度，詳見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)圖Fig. 2 Structure diagram for testing section

每種流速和含沙量條件下，都使用2個(gè)試樣單面沖刷，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，以減少誤差。

試驗(yàn)材料為輔助冷卻水系統(tǒng)(SEN)板式熱交換器報(bào)廢板片，其化學(xué)成分為:wFe0.11%,wc0.008%,wN0.003%,wH0.005%,余量為Ti。截取36 mm×33.5 mm的板片制成試樣后待用，見(jiàn)圖3。

(a) 正面 (b) 反面圖3 沖刷試驗(yàn)用試樣Fig. 3 Samples for erosion corrosion test

試驗(yàn)溶液為模擬海水，溶液中沙含量模擬某電廠冷卻水中的沙含量,具體如下：1.344 g/L(A),1.442 g/L(B),0.728 g/L(C),0.690 g/L(D)。沖刷試驗(yàn)選取的三種流速工況為:0.5、1、2v(其中v選定為3.1 m/s,大于板式熱交換器的管口設(shè)計(jì)速率，0.5v小于板式熱交換器的管口設(shè)計(jì)速率)，試驗(yàn)溫度為40 ℃，接近實(shí)際使用溫度,每次試驗(yàn)時(shí)間為120 h。每次沖刷試驗(yàn)結(jié)束后，清洗試樣表面并稱量，計(jì)算腐蝕失重。累計(jì)進(jìn)行3次沖刷試驗(yàn)共360 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 含沙量的影響

沖刷腐蝕速率由機(jī)械磨損單獨(dú)作用引起的腐蝕速率、電化學(xué)腐蝕單獨(dú)作用引起的腐蝕速率和兩者相互作用的腐蝕速率組成[5-6]。在含沙流體的沖擊下，金屬材料表面的保護(hù)層氧化膜受到損傷、剝離；金屬表面的氧化膜受到破壞后，金屬材料和流體接觸，發(fā)生電化學(xué)腐蝕，金屬表面繼續(xù)生成氧化膜。金屬表面的氧化膜被剝離，即為機(jī)械磨損作用；電化學(xué)作用繼續(xù)生成的氧化膜不夠穩(wěn)定，氧化膜更易被剝離，因此增強(qiáng)了機(jī)械磨損腐蝕。與此同時(shí)，金屬表面的氧化膜受到剝離后，金屬表面的電化學(xué)反應(yīng)將生成氧化膜來(lái)補(bǔ)充氧化膜的損失，即為電化學(xué)腐蝕的增強(qiáng)。

由圖4可見(jiàn):在低流速(1.55 m/s和3.10 m/s)條件下，試樣的質(zhì)量損失較小，且隨溶液中沙含量的增加略有上升，這是因?yàn)樵诤沉黧w的沖擊下，金屬材料表面的氧化膜受到損傷、剝離，含沙量越高，剝離作用越強(qiáng)；繼續(xù)增加溶液中含沙量，試樣的沖刷腐蝕速率減小，可能是由于碰撞沙粒和反彈沙粒之間的相互干擾所致;在高流速(6.20 m/s)條件時(shí)，試樣的質(zhì)量損失隨著溶液中含沙量的增加而明顯上升，這是因?yàn)樵诤沉黧w的沖擊下，金屬材料表面的氧化膜受到損傷、剝離，含沙量越高，剝離作用越強(qiáng)，且由于含沙量低，碰撞沙粒和反彈沙粒之間的相互干擾作用很弱；中含沙量條件下,試樣的腐蝕沖刷速率增加緩慢，這是由于碰撞沙粒和反彈沙粒之間的相互干擾作用增強(qiáng)，干擾作用和含沙量增加所帶來(lái)的剝離作用相當(dāng)；高含沙量條件下，試樣的沖刷腐蝕速率增加，這是因?yàn)樵诟吡魉傧?，碰撞沙粒和反彈沙粒之間的相互干擾作用不及含沙量增加所造成的影響[7-11]。

2.2 流速的影響

在沖刷腐蝕試驗(yàn)中，流速對(duì)沖刷腐蝕有著重要的影響。劉新寬等[12]認(rèn)為，沖刷速率小時(shí)，金屬表面氧化膜的保護(hù)性很強(qiáng)，在高流速時(shí)，鈍化膜被破壞，表面活化。吳成紅等[13]認(rèn)為流速低于某一臨界流速時(shí),沖刷速率可能沒(méi)有影響或上升很慢;當(dāng)達(dá)到某一臨界值時(shí),材料發(fā)生破壞性腐蝕。

由圖4可見(jiàn)：流速較低時(shí)，金屬表面的氧化膜有一定的保護(hù)性，試樣的腐蝕失重隨流速的增加而緩慢增加。當(dāng)流速較高時(shí)，金屬表面的氧化膜被破壞，而形成新氧化膜的速率很慢，試樣的質(zhì)量損失隨流速的增加而增加。因此認(rèn)為存在一個(gè)臨界流速，當(dāng)流速高于此臨界流速時(shí)，沖刷腐蝕速率迅速增加；當(dāng)流速低于此臨界流速時(shí)，沖刷腐蝕速率隨流速的變化而緩慢變化，這一臨界流速應(yīng)該介于3.10 m/s和6.20 m/s之間。在低含沙量時(shí)，沖刷腐蝕速率隨流速變化的曲線差異不大，這是因?yàn)樵嚇颖砻娴难趸ぞ哂幸欢ǖ谋Ｗo(hù)作用，沖刷腐蝕速率較小。而當(dāng)含沙量較高，低流速時(shí)，試樣表面的氧化膜也同樣具有一定的保護(hù)作用，但是流速提高后，由于試樣表面的氧化膜得到了更嚴(yán)重的破壞，沖刷腐蝕速率隨流速的變化將加快[14-15]。

(a) 1.344 g/L

(b) 1.442 g/L

(c) 0.728 g/L

(d) 0.690 g/L圖4 溶液流速和含沙量對(duì)試樣沖刷腐蝕試驗(yàn)結(jié)果的影響Fig. 4 Effects of flow velocity and sand content of the solution on the results of erosion corrosion test

2.3 微觀形貌

由圖5可見(jiàn)，試樣表面有沖刷腐蝕痕跡。含沙流體對(duì)試樣的作用，使得試樣表面出現(xiàn)不同程度的撞擊損傷，表面也變得更加粗糙。

(a) 試樣中間區(qū)域

(b) 試樣邊緣圖5 試樣在含沙量2 500 g/L中流速6.2 m/s的溶液中沖刷腐蝕360 h后的表面形貌Fig. 5 Surface morphology of middle (a) and edge (b) samples in the solution containing 2 500 g/L sand at 6.2 m/s flow velocity for 360 h

由圖5還可見(jiàn)，試樣的中間段受腐蝕程度比試樣的邊緣段嚴(yán)重，這與試樣的夾持裝置有關(guān)，夾持裝置對(duì)流體有一定的阻滯作用，使得邊緣處所受到的腐蝕相對(duì)較小。由于試驗(yàn)的時(shí)間較短，試樣的腐蝕不夠充分，所以試樣出現(xiàn)了沖刷腐蝕痕跡，但是腐蝕程度較低。圖5中可以看到少量的泥沙沖擊坑，泥沙的沖擊破壞了試樣的表面，可以推測(cè)，若增加試驗(yàn)時(shí)間，泥沙沖擊坑將會(huì)增多。

2.4 SEM板片穿孔原因

2.4.1 板片穿孔情況

板片穿孔泄漏后，解體時(shí)仔細(xì)檢查所有板片的磨損情況，發(fā)現(xiàn)所有板片的入口處都有磨蝕，大部分板片在入口處的磨損是均勻的，但是也有一些板片在局部區(qū)域磨損集中，將來(lái)可能會(huì)發(fā)生龍活虎穿孔。針對(duì)已經(jīng)發(fā)生穿孔的板片，大部分板片在海水入口處附近有1個(gè)或2個(gè)穿孔，絕大部分在進(jìn)出口和泄流區(qū)，以小孔為主，邊緣鋒利，穿孔周邊有明顯的沖刷減薄，板片其余部分情況良好。

采用掃描電鏡觀察穿孔板片,見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，板片表面有很明顯的沖刷腐蝕痕跡，可以看到明顯的泥沙的沖擊坑，表面非常粗糙，說(shuō)明此處受到的沖刷腐蝕非常嚴(yán)重。

圖6 板片表面形貌Fig. 6 Surface morphology of plate

2.4.2 海水水質(zhì)及過(guò)濾分析

海水含沙量大，泥沙絕大部分為細(xì)顆粒泥沙，硬度很高(950～1 200 HV)，形狀多為棱片狀。因此,海水中泥沙對(duì)板片沖刷磨損比較嚴(yán)重。進(jìn)入板式熱交換器的海水，經(jīng)過(guò)取水頭部150 mm→固定式攔污柵50 mm→鼓形濾網(wǎng)φ4.2 mm→電動(dòng)濾水器φ3.5 mm層層過(guò)濾，異物或砂石應(yīng)該都小于φ3.5 mm。板式熱交換器板間距離為3.3 mm，最大通球直徑約為二分之一，即海水中小于φ3.5 mm和大于φ1.65 mm的異物或砂石容易進(jìn)入板式熱交換器，并卡在流道中。

2.4.3 板式熱交換器堵塞情況

解體換熱器，在整個(gè)換熱器板片的表面都發(fā)現(xiàn)了泥漿和海草。有些板片在遠(yuǎn)離入口一側(cè)的角落發(fā)現(xiàn)泥漿沉積。在靠近壓緊板側(cè)的板片上,泥漿沉積現(xiàn)象要多于靠近固定板側(cè)的板片上的。

2.4.4 穿孔原因

海水中泥沙含量大是造成泥沙沖擊坑的一個(gè)重要原因，但是隨著泥沙沉積，流道變窄，使得流速增大，進(jìn)一步加劇了沖刷腐蝕，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，流速增大對(duì)穿孔起到加速作用。因此，SEN板式熱交換器板片穿孔泄漏是海水含沙量大和高流速共同作用的結(jié)果。

雖然熱交換器設(shè)計(jì)管口流速只有1.64 m/s，但是根據(jù)泥沙堵塞的照片判斷，堵塞區(qū)域占到入口流通截面的大部分，即局部流速超過(guò)3 m/s，考慮入口端局部凸起的形狀效應(yīng)，凸起部位流速會(huì)更高。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)流速?gòu)? m/s升高到6.2 m/s，腐蝕速率迅速增大。因此，換熱器海水側(cè)板片流道堵塞造成的流速增大是板片失效的根本原因。

3 結(jié)論

SEN板式熱交換器板片穿孔泄漏的直接原因是海水中泥沙含量大，板片受到嚴(yán)重的沖蝕；根本原因是海水中的泥沙等在流道內(nèi)沉積，造成流道變窄，使得流速增大，流速增大使得沖刷腐蝕加劇。

減少泥沙淤積是防止換熱器失效的根本方法，最根本的途徑是減少進(jìn)入換熱器的海水中泥沙、海生物、垃圾等的含量。安裝有效的海水過(guò)濾裝置可減輕磨損速率、提高換熱器壽命。

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Leakage Reasons for Plate Heat Exchanger in Nuclear Power Plant

LAI Ping, MENG Mingqiang, ZHANG Lefu
(School of Nuclear Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Erosion corrosion test was used to study the leakage reason for a plate heat exchanger in a nuclear power plant. The results revealed that the direct cause of perforation was the high sand contents in sea water. And the root cause of perforation was the deposition of sand in the flow channel, resulting in a narrow channel, which makes the flow rate increase.

plate heat exchanger; erosion corrosion; nuclear power plant; measure

2016-04-29

張樂(lè)福(1967-)，副教授，博士，從事核電材料研究，13524678702，lfzhang@sjtu.edu.cn

10.11973/fsyfh-201707003

TG172

B

1005-748X(2017)07-0499-04