1000 MW核電汽輪機(jī)組凝汽器冷卻管漏水原因分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

(福建福清核電有限公司,福建 福清 350318)

凝汽器是核電站及火電站中動力循環(huán)的冷端設(shè)備，在汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)膨脹做過功的蒸汽排至凝汽器中冷凝成水，乏汽凝結(jié)過程中放出汽化潛熱被循環(huán)冷卻水帶走，凝汽器是常規(guī)島重要輔助設(shè)備，其能否穩(wěn)定運(yùn)行將影響汽輪機(jī)組的出力及經(jīng)濟(jì)性。

1 汽輪機(jī)組凝汽器冷卻管漏水情況簡介及排查

1.1 情況簡介

某核電站3號機(jī)組凝汽器在機(jī)組100%甩負(fù)荷后發(fā)生海水泄漏進(jìn)汽側(cè)空間，凝結(jié)水的品質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，機(jī)組被迫停機(jī)。3號機(jī)組凝汽器冷卻管出現(xiàn)泄漏后，電站工作人員及時(shí)停機(jī)并對凝汽器汽側(cè)進(jìn)行灌水檢查，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)冷卻水管多處存在漏點(diǎn)，具體泄漏情況如圖1[1]所示。

圖1 凝汽器冷卻管漏水示意圖Fig.1 Leakage ofthe condenser cooling tube

1.2 原因排查

某核電站3號機(jī)組凝汽器冷卻管泄漏發(fā)生后，制造廠與某核電站技術(shù)人員一起成立了專項(xiàng)小組，從材料、制造、設(shè)計(jì)及現(xiàn)場運(yùn)行方面對事故進(jìn)行了原因分析，對可能導(dǎo)致冷卻管泄漏的各種原因進(jìn)行一一排查。

1.2.1 冷卻管材質(zhì)、脹管及運(yùn)行情況檢查

專項(xiàng)小組對冷卻管取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析及機(jī)械性能檢查，冷卻管化學(xué)成分及機(jī)械性能符合要求；專項(xiàng)小組檢查了凝汽器端管板冷卻管脹管及焊接記錄，冷卻管的脹接深度及脹管率符合規(guī)范要求[2]，現(xiàn)場對凝汽器端管板冷卻管的焊口重新地進(jìn)行了抽樣PT檢查，管口焊接未見明顯缺陷；對運(yùn)行情況進(jìn)行了核查，未發(fā)現(xiàn)有違規(guī)操作和超參數(shù)運(yùn)行的情況，排除了超參數(shù)運(yùn)行導(dǎo)致的泄漏。

1.2.2 對凝汽器汽側(cè)空間檢查

專項(xiàng)小組進(jìn)入凝汽器汽側(cè)空間對3號機(jī)組凝汽器鈦管進(jìn)行了詳細(xì)檢查，檢查發(fā)現(xiàn)凝汽器殼體模塊一、四頂排共有多根鈦管存在相互碰磨現(xiàn)象[1]，該電站中另外一臺4號汽輪機(jī)組在停機(jī)大修期間檢查存在同樣問題，且兩臺機(jī)組凝汽器冷卻管碰磨位置、碰磨程度基本相同，即機(jī)組在100%甩負(fù)荷后凝汽器殼體模塊一、四頂排及汽道迎流面冷卻管發(fā)生碰磨損壞，具體發(fā)生碰磨位置如圖2所示。

圖2 凝汽器殼體模塊一、四冷卻管泄漏示意圖Fig.2 Cooling tube leakage of the condenser module one and four

1.2.3 對凝汽器設(shè)計(jì)圖紙的校核

制造廠檢查了凝汽器設(shè)計(jì)及制造情況，某核電站凝汽器冷卻管固有頻率、最長跨距以及旁路擴(kuò)散裝置設(shè)計(jì)出口參數(shù)校核計(jì)算結(jié)果等符合制造廠家的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，凝汽器制造滿足制造廠家的規(guī)范要求，但制造廠家的設(shè)計(jì)規(guī)范與其技術(shù)支持方(ALSTOM)的規(guī)范存在差異。

2 冷卻管泄漏原因分析

經(jīng)過上述一系列的檢查及原因排查，可以排除冷卻管質(zhì)量原因、運(yùn)行操作方面的原因、管口焊接原因?qū)е碌男孤?。冷卻管的泄漏可能與凝汽器的設(shè)計(jì)有關(guān)，將泄漏冷卻管送至第三方(中航工業(yè)失效研究中心)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析[3]，實(shí)驗(yàn)結(jié)論為：“冷卻管材料符合要求，裂口為疲勞裂紋，裂紋起于冷卻管內(nèi)表面、起源位置在焊縫處，裂紋的產(chǎn)生與振幅過大導(dǎo)致的變曲應(yīng)力過大有關(guān)?！?/p>

從第三方實(shí)驗(yàn)分析結(jié)論可以判斷冷卻管是因?yàn)檎駝影l(fā)生的碰磨導(dǎo)致管子泄漏，能夠造成冷卻管振動過大的原因主要有兩方面[4]。一方面是汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速與冷卻管的固有頻率接近或相同所產(chǎn)生的共振;另一方面原因是汽流沖擊造成的激振。由于凝汽器內(nèi)汽流流動錯(cuò)綜復(fù)雜，使得汽流沖擊激振更難控制，破壞性更強(qiáng)。

從該電站3號機(jī)組及4號機(jī)組凝汽器冷卻管泄漏均發(fā)生在甩負(fù)荷旁路投用后，因此旁路裝置的投用是凝汽器冷卻管泄漏的直接原因，根本原因是凝汽器冷卻管在汽輪機(jī)旁路裝置的投用后，高速汽流對凝汽器冷卻管造成的激振而導(dǎo)致的冷卻管損壞，具體分析如下。

2.1 旁路裝置投用對凝汽器冷卻管的影響

查看旁排擴(kuò)散裝置布置圖，分析蒸汽的流向，可以發(fā)現(xiàn)旁路蒸汽水平流出旁路擴(kuò)散裝置，模塊一、四受到的沖擊最為嚴(yán)重。這種布置結(jié)構(gòu)理論上可以解釋模塊一、四存在碰磨,而模塊二、三未發(fā)現(xiàn)碰磨的現(xiàn)象。旁路擴(kuò)散器的布置及蒸汽流向如圖3所示。

圖3 旁路裝置投用后凝汽器內(nèi)汽流流動示意圖Fig.3 The steam flow in the condenser when the bypass equipment is put into use

2.2 汽流激振對冷卻管的影響

旁路擴(kuò)散裝置投用對凝汽器冷卻管確實(shí)會造成沖擊，但并不是凝汽器冷卻管產(chǎn)生裂紋的根本原因，最多只是一個(gè)誘發(fā)因素。每臺汽輪機(jī)組均有旁路擴(kuò)散裝置，汽輪機(jī)理論上說應(yīng)在各種工況下均可可靠運(yùn)行(包括甩負(fù)荷工況)，該核電站出現(xiàn)的汽輪機(jī)甩負(fù)荷后凝汽器冷卻管泄漏事故，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行，有必要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

經(jīng)廠家技術(shù)人員校核，凝汽器冷卻管固有頻率、最長跨距以及旁路擴(kuò)散裝置設(shè)計(jì)出口參數(shù)等計(jì)算結(jié)果符合制造廠家的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，說明完全可以排除冷卻管固有頻率與汽輪機(jī)工作頻率耦合產(chǎn)生的共振對冷卻管造成的破壞。造成凝汽器冷卻管泄漏的根本原因主要是汽流激振對冷卻管產(chǎn)生的沖擊。

大型核電汽輪機(jī)組凝汽器喉部蒸汽的平均速度可達(dá)100 m/s以上，這種高速汽流使得冷卻管受到很大沖擊，極易引起冷卻管的彈性變形，當(dāng)該變形達(dá)到一定的幅度時(shí)，就將引起冷卻管的振動。汽流激振造成的冷卻管振動的基本氣動力學(xué)現(xiàn)象，至今未能徹底弄清[5]。高速汽流激起的冷卻管振動可能發(fā)生嚴(yán)重的損壞，這是一種由氣流拖拽作用所致的、在自身固有頻率下的振動，振幅隨汽流速度的提高而增大[5]。對于汽流激振造成的冷卻管損壞可以通過改變中間隔板的數(shù)量，改變冷卻管自身的振動屬性來避免，在后續(xù)同類型機(jī)組凝汽器的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對冷卻管的中間隔板間距進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.3 對凝汽器汽流流場分析

制造廠的專業(yè)技術(shù)人員對該電站凝汽器流場[6]進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)凝汽器殼體模塊管束頂部工字鋼下方存在局部渦流區(qū)，而這一區(qū)域正是冷卻管發(fā)生碰磨區(qū)域，說明凝汽器汽流流場分布存在渦流區(qū)也是冷卻管發(fā)生碰磨而導(dǎo)致泄漏的原因之一。

3 汽輪機(jī)組凝汽器冷卻管漏水處理方案

為了解決凝汽器冷卻管泄漏問題，避免后續(xù)運(yùn)行中冷卻管再次發(fā)生泄漏，采取了如下處理方案：

1)對于凝汽器殼體模塊的上部冷卻管，人員可以進(jìn)入到汽側(cè)空間進(jìn)行作業(yè)的位置，在冷卻管間安裝防磨條(橡膠條)，防磨條中以起到減振及緩沖作用，可避免冷卻管間發(fā)生碰磨，同時(shí)增加防磨條后還可以改變凝汽器冷卻管的振動特性。因凝汽器冷卻管碰磨發(fā)生在殼體模塊一、四中，決定在凝汽器模板一、四的每個(gè)管束的上部管指頂部安裝多層防磨條。安裝示意圖如圖4所示。

圖4 模塊一、四冷卻管防磨條安裝示意圖Fig.4 Installation of the prevention rubber of condenser module one and four

2)對于凝汽器殼體模塊二、三，因?qū)嶋H運(yùn)行中并未出現(xiàn)碰磨，作為預(yù)防僅僅在每個(gè)管束的上部管指頂部僅安裝2層防磨條，安裝示意圖如圖5所示。

3)對于凝汽器模塊一、四的汽道2a、2b迎流面底部，因人員無法進(jìn)入安裝防磨條，采用局部堵管方案，模塊二、三不堵管，堵管總數(shù)為280根。堵管示意圖(圖中紅色部分冷卻管作堵管處理)如圖6所示。

圖6 凝汽器殼體模塊一、四冷卻管堵管示意圖Fig.6 The plugging tube of the condensermodule one and four

4 設(shè)計(jì)改進(jìn)

采取上述處理方案后，某核電站在后續(xù)運(yùn)行期間，未發(fā)生凝汽器冷卻管大面積泄漏，實(shí)踐證明采取上述處理方案確實(shí)解決了凝汽器冷卻管泄漏問題。但采取上述方案后，仍存在兩個(gè)缺點(diǎn)：一是防磨條因是橡膠材料存在老化失效問題，因此每隔3～5年需更換一次防磨條；另一個(gè)缺點(diǎn)是局部堵管后，有效的冷卻管數(shù)量將減少，雖然堵管后經(jīng)計(jì)算仍能滿足汽輪機(jī)滿負(fù)荷工況的冷卻要求，但冷卻管的設(shè)計(jì)余量減少了，若后續(xù)運(yùn)行中再發(fā)生冷卻管泄漏，當(dāng)堵管率超過設(shè)計(jì)余量后，將不得不進(jìn)行換管或機(jī)組整體降負(fù)荷運(yùn)行，影響電站的經(jīng)濟(jì)性。對于制造完成的凝汽器設(shè)備也只能采取上述處理方案，是不得已而為之。但對于處于設(shè)計(jì)階段的項(xiàng)目來說完全可以通過設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)來消除冷卻管泄漏。

考慮到福清二期工程凝汽器還處于設(shè)計(jì)階段，因此要求廠家分析某電站汽輪機(jī)組凝汽器冷卻管泄漏根本原因，并從設(shè)計(jì)方面進(jìn)行改進(jìn)，防止福清二期工程凝汽器冷卻管出現(xiàn)大面積泄漏。廠家對福清二期工程凝汽器主要進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)改進(jìn)[7]。

4.1 增加中間隔板數(shù)量，改變冷卻管自身的振動特性

在同樣的條件下，增加中間隔板的數(shù)量可以改變冷卻管自身的振動屬性，改變冷卻管的抗汽流激振能力；還可增大對冷卻管的約束力，降低冷卻管的振幅，可以更有效地避免冷卻管的振動破壞。改進(jìn)前后凝汽器冷卻管的振動特性分析如下：

依據(jù)Sebald J.F.理論，冷卻管的最大撓度保持在冷卻管排列孔橋b值(某核電站二期工程冷卻管排列孔橋b=10 mm)1/4以內(nèi)，可預(yù)防冷卻管的振動，撓度越小抗擊汽流激振的能力越強(qiáng)。流場內(nèi)的冷卻管在汽流負(fù)荷作用下，產(chǎn)生的撓度可以用公式(1)表示：

Y=5WL4/(384EI)

(1)

式中,Y為冷卻管撓度；W為單位冷卻管長度的汽流負(fù)荷；L為隔板間距；E為冷卻管材料彈性模量；I為冷卻管截面的慣性矩。

經(jīng)查某核電站3號機(jī)組凝汽器圖紙，凝汽器殼體模塊中間隔板的數(shù)量為22件，中間跨距為707 mm。經(jīng)查福清二期工程凝汽器設(shè)計(jì)圖紙，凝汽器殼體模塊的中間隔板數(shù)量設(shè)計(jì)為25件，中間跨距為626 mm。

設(shè)計(jì)改進(jìn)前某核電站凝汽器冷卻管在汽流負(fù)荷作用下的撓度計(jì)算：

Y=5W×0.7074/(384EI)

(2)

設(shè)計(jì)改進(jìn)后福清二期工程凝汽器冷卻管在汽流負(fù)荷作用下的撓度計(jì)算：

Y改=5W×0.6264/(384EI)

(3)

改進(jìn)前后，汽輪機(jī)的排汽量不變，冷卻管的材質(zhì)、規(guī)格及長度也不變，所以式(2)及式(3)中的W、E、I參數(shù)相同，將式(3)與式(2)相除,即Y改/Y=0.6264/0.7074=0.615，即改進(jìn)后冷卻管在汽流負(fù)荷作用下的撓度值為改進(jìn)前的0.615倍，改進(jìn)后冷卻管的撓度較小，抗汽流激振的能力將增強(qiáng)，可有效防范汽流激振造成的冷卻管損壞。

4.2 設(shè)置不銹鋼假管

對管束中氣流激振較為危險(xiǎn)的區(qū)域，特別是管束的頂層冷卻管上方，冷卻管迎流面處均設(shè)置不銹鋼假管，保證氣流流動時(shí)首先沖擊到不銹鋼假管，從而對冷卻管起到保護(hù)作用，避免冷卻管直接受到氣流的沖擊，降低冷卻管的損壞可能。

4.3 增加厚壁管的數(shù)量

對管束中氣流激振較為危險(xiǎn)的區(qū)域，除了設(shè)置不銹鋼假管外，另外在這些區(qū)域的冷卻管還設(shè)計(jì)為厚壁管，以增加抗氣流沖擊的能力。

經(jīng)查某電站凝汽器數(shù)據(jù)表，厚壁管使用數(shù)量為4 496根，經(jīng)查福清核電站二期工程凝汽器數(shù)據(jù)表，福清核電站二期工程厚壁管使用數(shù)量為5 208根。福清核電站二期工程凝汽器中厚壁冷卻管的數(shù)量較某電站增加了712根，保證氣流激振較為危險(xiǎn)的區(qū)域(特別是圖6中汽道2a及2b迎流面)均采用厚壁冷卻管。

4.4 設(shè)置導(dǎo)流板

在殼體模塊管束頂部工字鋼下方存在局部渦流區(qū)的部位設(shè)置導(dǎo)流板，避免汽流直接沖擊冷卻管，對冷卻管起到保護(hù)作用。

4.5 縮小中間隔板管孔直徑

某核電站凝汽中間隔板孔直徑設(shè)計(jì)為25.5 mm，福清二期工程凝汽器中間管板孔直徑設(shè)計(jì)為25.2 mm，縮小中間隔板孔直徑可以增加管板對冷卻管的束縛作用，有效降低冷卻管振動時(shí)的振幅，避免冷卻管發(fā)生碰磨，進(jìn)而降低冷卻管發(fā)生損壞的幾率。

5 結(jié)束語

凝汽器是汽輪機(jī)的重要輔助設(shè)備，其能否穩(wěn)定可靠運(yùn)行對整個(gè)汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生重要影響，而凝汽器冷卻管的泄漏是凝汽器不可用的最主要原因之一。通過對某核電站凝汽器冷卻管泄漏原因進(jìn)行深入研究分析，總結(jié)出凝汽器冷卻大面積泄漏的根本原因是汽流激振造成的。

在總結(jié)某核電站凝汽器冷卻管大面積泄漏的經(jīng)驗(yàn)反饋后，對福清二期工程凝汽器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，主要改進(jìn)有增加中間隔板數(shù)量，改變冷卻管振動特性、在汽道迎流面設(shè)置不銹鋼假管、增加厚壁管數(shù)量、設(shè)置導(dǎo)流板、減小中間管板孔徑，相信通過這些改進(jìn)措施的實(shí)施，福清二期工程凝汽器不會出現(xiàn)大面積冷卻管泄漏。