鈦管冷凝器失效原因分析及處理

陳定千，羅堅(jiān)，龔沈軍

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所無(wú)錫分部，江蘇 無(wú)錫 214000）

冷凝器是汽輪機(jī)組裝置的重要組成部分，其主要作用是在汽輪機(jī)排汽口建立并保持真空，提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)，回收排汽凝結(jié)的水作為鍋爐給水，構(gòu)成循環(huán)。冷凝器的運(yùn)行狀況直接影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。目前，電廠運(yùn)行的冷凝器多采用銅合金換熱管，銅合金管具有良好的熱傳導(dǎo)性，且價(jià)格適宜，但在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重、使用壽命短等問(wèn)題。近年來(lái)，鈦材料因其優(yōu)異的耐腐蝕、抗沖刷、高強(qiáng)度、比重輕等特性，在冷凝器制造過(guò)程中逐漸得到應(yīng)用。

本文失效冷凝器采用純鈦TA2（GB/T3625）材質(zhì)換熱管，運(yùn)行過(guò)程中換熱管表面形成了一層生物污垢，影響了鈦管的熱傳導(dǎo)性能，導(dǎo)致冷凝器傳熱惡化、真空下降。關(guān)于鈦管冷凝器因形成生物污垢而失效的事例還鮮有報(bào)導(dǎo)，因此，關(guān)于鈦管冷凝器形成生物污垢的原因分析及采取的相應(yīng)處理措施對(duì)后續(xù)鈦冷凝器的運(yùn)行具有參考價(jià)值。

1 故障過(guò)程

該冷凝器為某汽輪發(fā)電機(jī)組配套設(shè)備，2016 年5 ～12月隨機(jī)組開(kāi)展調(diào)試運(yùn)行，12 月開(kāi)始連續(xù)運(yùn)行。冷凝器主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 冷凝器主要技術(shù)參數(shù)

2017 年2 ～3 月期間，在機(jī)組額定負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)冷凝器真空出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。運(yùn)行人員首先對(duì)抽氣系統(tǒng)及相關(guān)管路的密封性進(jìn)行了檢查排除，但均未解決冷凝器真空下降問(wèn)題。2017 年4 月，發(fā)電機(jī)組停機(jī)拆檢，工作人員打開(kāi)了冷凝器冷卻水進(jìn)回水口，對(duì)冷凝器進(jìn)行檢查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷凝器循環(huán)冷卻水側(cè)表面附著了一層黏性軟垢，如圖1 中所示。

圖1 冷凝器內(nèi)冷卻水側(cè)管路表面附著粘性軟垢

2 故障分析

2.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

冷凝器端差是衡量其傳熱效果的重要指標(biāo)，端差為冷凝器排氣壓力下的飽和水溫與循環(huán)冷卻水出口溫度之間的差值。圖2 為本次鈦管冷凝器投運(yùn)以來(lái)在額定工況下端差隨運(yùn)行時(shí)間的變化情況。分析圖2 可知，在2016 年5 月～2017年2 月20 日，冷凝器運(yùn)行端差基本維持在10 ～13℃，而在2 月20 日～3 月30 日，端差急劇上升，自14.5℃迅速增長(zhǎng)至35℃以上，表明在此時(shí)間段內(nèi)，冷凝器的換熱性能持續(xù)惡化，最終導(dǎo)致了真空的下降。

在冷卻水量恒定狀態(tài)下，冷凝器冷卻水進(jìn)出口水阻力能夠直觀的反應(yīng)出冷凝器換熱管內(nèi)的結(jié)垢狀況。根據(jù)運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)，得出了冷凝器進(jìn)出口水阻力隨時(shí)間的變化情況，如圖3 所示。

圖2 冷凝器端差隨運(yùn)行時(shí)間變化情況

圖3 冷卻水進(jìn)出口水阻力隨運(yùn)行時(shí)間變化情況

由圖可知，2016 年5 月至17 年2 月底，水阻力基本維持在45 ～55kPa，呈略微增長(zhǎng)趨勢(shì)。而由2 月24 日～3 月15 日，水阻力急劇上升，由54.6kPa 增長(zhǎng)至113.7kpa，增加了1 倍之多。表明在此期間，冷凝器換熱管內(nèi)的污垢迅速增長(zhǎng)。結(jié)合實(shí)際拆檢圖片，確認(rèn)鈦管冷凝器內(nèi)形成污垢是導(dǎo)致冷凝器傳熱惡化、真空下降的主要原因。

2.2 污垢形成原因分析

（1）形成生物黏泥。鈦管冷凝器表面的污垢為軟垢，具有黏滑性。根據(jù)相關(guān)資料，該污垢應(yīng)為生物黏泥，是由循環(huán)水中的微生物群繁殖，并以這些微生物為主體，混有泥沙、無(wú)機(jī)物和塵土等形成附著的軟泥性沉積物。本次鈦管冷凝器所用冷卻水為開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)提供，此系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，容易帶入大量微生物及灰塵。根據(jù)前文分析，故障發(fā)生時(shí)間段為2 月末至3 月，氣溫開(kāi)始回升，冷卻水溫度變得適宜微生物的生長(zhǎng)和繁殖，且此時(shí)機(jī)組及配套鈦管冷凝器為連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，冷卻水中大量微生物隨水流進(jìn)入冷凝器后在管壁附著，逐漸形成了黏性物質(zhì)的膜，使水中的細(xì)小污泥等雜質(zhì)滯留在管壁上，逐漸形成了生物黏泥。

（2）鈦管易于發(fā)生微生物附著。隨著鈦材料在冷凝器中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其存在的問(wèn)題及解決辦法也受到了廣泛研究。

目前，相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)于鈦冷凝器的應(yīng)用和研究主要集中在鈦管與管板的密封焊接、鈦管的振動(dòng)磨損及化學(xué)清洗鐵污染、油跡等方向上。同時(shí)，也有相關(guān)研究指出，生物污垢的產(chǎn)生與換熱管材料性能有密切關(guān)系。由于鈦不具有像銅合金一樣內(nèi)在的毒性和相應(yīng)的殺菌作用，在鈦管冷凝器應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)防微生物附著，采取措施控制生物污垢的形成。在本次鈦管冷凝器使用過(guò)程中，沒(méi)有預(yù)先針對(duì)生物污垢的形成采取控制措施，因此，在易于形成生物污垢的條件下，鈦管冷凝器在短期內(nèi)即發(fā)生失效。

3 處理措施及效果

3.1 冷凝器清洗

高壓水射流技術(shù)是利用裝置產(chǎn)生高壓水，通過(guò)特殊噴嘴產(chǎn)生能量高度集中的小水流對(duì)管道表面的污垢進(jìn)行撞擊、磨削、粉碎和剝離，達(dá)到清洗污垢的目的。采用高壓水射流技術(shù)對(duì)鈦管冷凝器進(jìn)行清洗，清洗后冷凝器管內(nèi)軟垢基本清除，鈦管恢復(fù)金屬光澤。清洗后對(duì)冷凝器進(jìn)行了管側(cè)水壓試驗(yàn)，壓力0.3MPa，保壓30 分鐘壓力無(wú)下降。完成冷凝器清洗后配合機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，在額定工況下，機(jī)組真空、冷凝器端差及冷卻水進(jìn)出口水阻力等參數(shù)均恢復(fù)至正常狀態(tài)，鈦管冷凝器清洗工作達(dá)到預(yù)期目的。

3.2 添加膠球清洗裝置

根據(jù)鈦管冷凝器相關(guān)技術(shù)參數(shù)，為其配置了膠球清洗裝置。在后期冷凝器運(yùn)行過(guò)程中，定期利用膠球裝置進(jìn)行清洗，達(dá)到了防止和消除鈦管內(nèi)微生物附著的目的。

3.3 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)微生物控制

根據(jù)前文對(duì)生物黏泥形成原因的分析，開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)易產(chǎn)生和帶入大量微生物及灰塵。目前，利用化學(xué)方法控制循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的微生物是較為常用及有效的手段。根據(jù)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，定期交替投入氧化型和非氧化型殺生劑，并跟蹤監(jiān)測(cè)循環(huán)水質(zhì)，確保異養(yǎng)菌、生物粘泥量等指標(biāo)符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。在采取針對(duì)性措施對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)微生物進(jìn)行控制后，有效避免了鈦管冷凝器內(nèi)生物污垢的形成，保障了鈦管冷凝器安全、正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鈦管冷凝器運(yùn)行過(guò)程中真空下降的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提供了相應(yīng)處理措施，對(duì)鈦管冷凝器的運(yùn)行具有一定參考價(jià)值：

（1）鈦管冷凝器運(yùn)行過(guò)程中易形成生物污垢，導(dǎo)致冷凝器傳熱惡化、真空下降。

（2）采用高壓水射流技術(shù)達(dá)到了清洗鈦管冷凝器表面生物污垢的目的。

（3）在鈦管冷凝器運(yùn)行過(guò)程中配置膠球清洗裝置、對(duì)開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行微生物控制，能夠有效避免鈦管冷凝器內(nèi)生物污垢的形成。