傳熱管管口及管板目視檢查異常情況分析

劉佩磊 張建峰

摘 ?要：核電站中有數(shù)量眾多的熱交換器，而傳熱管作為熱交換器的主要部件正是進行水、汽熱交換的關(guān)鍵設(shè)備，傳熱管的性能決定了熱交換器的性能。傳熱管的安全穩(wěn)定也決定了整個系統(tǒng)的運行安全，對于傳熱管的管口及管板的異常情況的檢查采用宏觀目視檢查的方法能準確直觀地判別，而對異常的成因分析能為傳熱管的安全運行提供幫助，保證設(shè)備在能在規(guī)定的服役期限內(nèi)保證安全可靠，長期穩(wěn)定使用。

關(guān)鍵詞：傳熱管 ?管口及管板 ?腐蝕 ?磨損 ?沖刷 ?分析

中圖分類號：TL353.13 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）10（b）-0056-03

Abstract： There are many heat exchangers in nuclear power plant. As the main component of heat exchanger， heat transfer tube is the key equipment for water and steam heat exchange. The performance of heat transfer tube determines the performance of heat exchanger. The safety and stability of heat transfer tubes also determine the operation safety of the whole system. The macroscopic visual inspection method can accurately and intuitively distinguish the abnormal situation of the tube orifice and tube sheet of heat transfer tubes. The analysis of the causes of the abnormalities can help the safe operation of heat transfer tubes and ensure that the equipment can be in service for a specified period of time. Internal guarantee is safe and reliable， long-term stable use.

Key Words： Heat pipe; Pipe mouth and the tube plate; Corrosion; Wear; Erosion; Analysis

交換器，進行介質(zhì)熱交換，無論是再熱、加熱還是冷卻，其內(nèi)部主要進行的還是水和汽的熱交換過程，而一般這種熱交換都是通過各種傳熱管來實現(xiàn)，所以傳熱管的性能直接關(guān)系到熱交換器的熱交換性能。目前對傳熱管的檢查主要采用渦流檢測的方法，渦流檢測對于傳熱管內(nèi)部缺陷的檢查效果良好，但是由于渦流檢查信號存在盲區(qū)，并且在靠近管口部位因為管板及其他因素對信號的影響，所以對靠近管口部位的異常情況不易分辨。而宏觀目視檢查恰好能對管口及管板區(qū)域的異常情況進行有效的檢查。補充渦流檢查的區(qū)域，從而更好地完成對傳熱管的檢查。

由于各個不同用途的熱交換器其傳熱管的規(guī)格、材料、安裝形式都有所不同，其中的介質(zhì)也各不相同，所以管口及管板的異常情況也各有不同。針對不同的異常情況進行分析有助于了解這些異常情況產(chǎn)生的原因，并根據(jù)異常產(chǎn)生的原因做出有效的措施，保證傳熱管的運行安全與穩(wěn)定。對常規(guī)島內(nèi)幾種典型熱交換器的傳熱管管口及管板異常情況及原因，將分別進行分析。

1 ?典型管口及管板異常情況分類分析

1.1 腐蝕造成的損傷

核電站中設(shè)備采用的傳熱管材料一般分為兩種：一種為鈦管，另一種為不銹鋼管，兩種材質(zhì)均耐腐蝕，凝汽器及設(shè)備冷卻水熱交換器等設(shè)備由于傳熱管內(nèi)介質(zhì)為未經(jīng)處理的海水考慮到材料的耐腐蝕性和設(shè)備的需要具備良好的熱傳導(dǎo)性能，所以采用鈦管。高壓加熱器、低壓加熱器及其他疏水冷卻器傳熱管內(nèi)介質(zhì)為循環(huán)凝結(jié)水，并且水質(zhì)已經(jīng)經(jīng)過處理，所以這些設(shè)備的傳熱管采用不銹鋼管。而造成腐蝕的主要原因正是在于水中所含雜質(zhì)，對于凝汽器及設(shè)備冷卻水熱交換器等設(shè)備而言，其管側(cè)的海水由于含有泥沙等雜質(zhì)更容易對傳熱管造成腐蝕。

其中主要為電化學(xué)腐蝕，鈦管與異種金屬管板連接時易發(fā)生電偶腐蝕，一般純鈦和碳鋼兩種異種金屬組合在一起并接觸海水時，若存在縫隙必會發(fā)生電偶腐蝕。在平衡態(tài)條件下，25℃時純鈦和碳鋼相對于標準氫電極（SHE）的電極電位分別是-1.63V和-0.46V，純鈦作為陽極被腐蝕，碳鋼作為陰極得到保護。但是，純鈦相當(dāng)活潑，一遇空氣表面迅速被鈍化，生成一層若干個納米大小的TiO2防腐保護膜;在相對于飽和甘汞電極（SCE）的非平衡態(tài)的30℃海水中，純鈦和碳鋼的電偶序正好相反，其電極電位分別是-0.1V和-0.65V，如圖1所示。

若組成電偶對，純鈦將得到保護，碳鋼則被腐蝕，如果鈦管和管板脹接處存在縫隙;海水進入縫隙后，鈦管和管板即構(gòu)成電偶腐蝕對的陰極和陽極，通過吸氧腐蝕使陽極處管板發(fā)生鐵的溶解并析出一定量的氫。

為此需要采用管口密封焊或采用高性能高分子粘結(jié)劑進行管口封堵，消除電偶腐蝕源頭和全鈦連接或其他陰極保護以防止電偶腐蝕。

除電偶腐蝕以外微生物以及沉積物的存在也會對傳熱管造成腐蝕，微生物會改變管壁局部區(qū)域的介質(zhì)環(huán)境，從而造成局部腐蝕如圖3所示，由于微生物的生物活動，會促進金屬在冷卻水中的電化學(xué)腐蝕過程。微生物腐蝕一般發(fā)生在進水側(cè)的鋼質(zhì)管板上，冷卻水中常含有一種靠Fe2+和O2生存繁殖的細菌，稱為鐵細菌。它靠Fe2+→Fe3+釋放的能量維持生命活動，生成的Fe3+在細菌表面生成Fe（OH）3↓形成棕色粘泥。在粘泥底部形成缺氧條件，為厭氧的硫酸鹽還原菌提供了合適的生存環(huán)境。鐵細菌和硫酸鹽還原菌的聯(lián)合作用又促進了金屬腐蝕，如圖4所示。

沉積物的腐蝕。沉積物主要為海水中的泥沙（見圖5），由于水質(zhì)及溫度的變化沉積物會在管壁上形成沉積積垢。這些積垢會造成管壁局部區(qū)域的介質(zhì)環(huán)境發(fā)生改變，垢層形成后，水中含有的氯離子易穿透垢層，造成基體金屬的腐蝕，腐蝕生成的金屬離子水解造成介質(zhì)氫離子濃度升高，藻類和微生物的活動亦造成介質(zhì)的酸度升高。由于垢層阻礙了管內(nèi)壁金屬表面介質(zhì)與環(huán)境介質(zhì)的相互擴散，使垢層下的介質(zhì)pH值下降，破壞了金屬表面的鈍化膜，使金屬基體進一步發(fā)生腐蝕（見圖6）。

1.2 磨損造成的損傷

由于海水中含有各種雜質(zhì)，包括泥沙、顆粒等在水流的作用下對傳熱管壁和管口密封焊縫存在沖刷磨損，這種沖刷磨損在一定情況下會使管壁快速減薄，而在一定區(qū)域內(nèi)形成點狀凹坑（見圖7）或者凹陷（見圖8）。

如果傳熱管管壁或者管口密封焊縫由于機械損傷或沖刷磨損造成凹坑或者凹陷，水流會在其附近形成漩渦從而改變水流的方向不斷地沖刷磨損這一區(qū)域，當(dāng)凹陷較淺時，其表面的摩擦磨損機制是紊亂的，泥沙磨粒磨損產(chǎn)生的表面條痕非常淺，而且無方向性，磨損率很小;但當(dāng)凹陷尺寸達到一定深度時，含泥沙海水的漩渦沖刷磨損明顯取向，磨粒磨損出一系列取向性細小的磨粒條痕，這些磨痕有一定深度，更由于此時的凹陷處于缺氧狀態(tài)，磨痕表面來不及修復(fù)生成硬度較高的TiO2薄膜，而是一種純鈦基體，表面硬度相對較低，被含泥沙海水沖刷破損容易些，磨損率相對較大，經(jīng)過相當(dāng)一段時間后越磨越深，最終凹陷被磨損破裂導(dǎo)致管壁的不斷減薄，最終會因減薄過大，管壁強度不足而破裂或者裂紋（見圖9、圖10）隨后又在電偶腐蝕、縫隙腐蝕和沖刷磨損等共同作用下使破口不斷擴大。

海水中有含量較高的堅硬的泥沙顆粒會加劇沖刷摩擦磨損，所以控制海水中的泥沙含能有效地防止磨損造成的損傷。

1.3 異物沖刷造成的損傷

體積較大的異物存在于水中，隨水流的運動直接沖擊管口及管板，對管口和管板造成損傷。雖然一般的海水進水口都裝有過濾異物的濾網(wǎng)，但是由于濾網(wǎng)網(wǎng)眼大小、轉(zhuǎn)速等原因還是有部分異物進入到水室中，主要為海生物、貝殼等沖擊管板卡塞在管口（見圖11），不但對管板及管口造成機械損傷，貝殼的存在可使鈦管內(nèi)部流體速度增大、方向改變，出口部分管段內(nèi)部形成明顯的湍流，由于流體流動方向與管子軸線方向不再平行，沖擊點位置所受應(yīng)力增加。含泥沙顆粒的海水必定會產(chǎn)生更加嚴重的沖刷磨損效應(yīng)，且在長期沖蝕作用下，管壁將被減薄。除了海水中的外來異物，管道及水室在運行中也會產(chǎn)生異物，例如，系統(tǒng)中的部件脫落，檢修后遺留在系統(tǒng)中的各種金屬物品在水流的帶動下都會對管板及管口造成機械損傷（見圖12、13）水室中的橡膠襯里本是為了防止腐蝕，由于防腐層不致密，碳鋼腐蝕后的繡蝕物會體積膨脹，再加上橡膠襯里層本身粘接不太牢固，在水流沖擊下容易發(fā)生部分脫落而沖擊傳熱鈦管管板（見圖14）或者進入管內(nèi)。進入管內(nèi)的橡膠帶，若得到充分鋪展伸直，其沖刷磨損機制象泥沙，以磨粒磨削磨損和擠壓塑性變形為主，管內(nèi)因而會出現(xiàn)多根不規(guī)則沖刷磨損條（見圖5）。這些異物的存在都會對傳熱管造成損傷，所以要盡量減少水中的異物。

2 ?結(jié)語

以上對核電站常規(guī)島熱交換器傳熱管管口及管板宏觀檢查所發(fā)現(xiàn)的一些異常情況進行了總結(jié)和分析，主要針對熱交換介質(zhì)為海水的凝汽器及設(shè)備冷卻水熱交換器，對于熱交換介質(zhì)為凝結(jié)水的其他熱交換器未作過多探討。通過分析，這些異常情況的產(chǎn)生主要原因：一是海水中的雜質(zhì)過多，包括泥沙含量、金屬及非金屬異物、海生物等。這些都會對傳熱管管口及管板造成影響。二是海水的化學(xué)成分造成的腐蝕，對于鈦合金或者不銹鋼材料的傳熱管，由于熱交換器本身結(jié)構(gòu)和設(shè)計原因都會存在不同程度的電化學(xué)腐蝕。對于海水雜質(zhì)過多的問題可以通過對海水濾網(wǎng)的優(yōu)化改造減少水中的雜質(zhì)含量，調(diào)整水流速度減少泥沙或者海生物在傳熱管中的沉積。對于電化學(xué)腐蝕可以通過加裝陰極保護裝置或者使用非金屬材料對管口及管板進行密封保護，從而達到保護傳熱管的目的。

參考文獻

[1] ASME鍋爐及壓力容器委員會無損檢測分委員會編.ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國際性規(guī)范：第ⅴ卷無損檢測第9章目視檢查（2004版）[M].中國《ASME規(guī)范產(chǎn)品》協(xié)作網(wǎng)（CACI），譯.北京：中國石化出版社，2004.

[2] 姜曉霞，李詩卓，李曙.金屬的腐蝕磨損[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3] 中國腐蝕與防護學(xué)會.電力工業(yè)的腐蝕與防護[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.

[4] 丁兆勇，王秀梅.凝汽器冷凝管的腐蝕與防護[J].中國設(shè)備工程，2007（8）：56-59.

[5] 王榮.鈦制熱交換器傳熱管泄漏原因分析[J].物理測試，2007，25（4）：44-46，51.

[6] 楊振國.核電裝置換熱器的失效分析及其解決對策[J].金屬熱處理，2007，32（21）：28-35.