核島板式換熱器缺陷原因分析及改進(jìn)建議

□邱 波 陳 松 王玉彬 李開盈 王 旭 孫永信

一、概述

核島板式換熱器(以下簡稱“核島板換”)為核島各熱交換器的最終熱阱，將核島設(shè)備的冷卻水熱量傳遞給海水，其主要結(jié)構(gòu)如圖1a所示，由板片組、固定板、壓緊板、承載桿、導(dǎo)桿等組成，其工作原理如圖1b所示，其中箭頭代表為被冷卻介質(zhì)，藍(lán)色箭頭代表為冷源海水，兩種流體在板片間間隔對流，形成熱量傳遞，板片間通過密封膠條進(jìn)行密封。

圖1 板式熱交換器

該電廠共四臺機(jī)組，核島板換為瑞典進(jìn)口板式換熱器，板片厚度0.7mm，板片數(shù)量為508張，換熱面積為9,329m2，每臺機(jī)組共4臺核島板換，分兩列布置，一用一備。其中1、2號機(jī)組于2002年左右投入運(yùn)行，3、4號機(jī)組于2011年左右投入運(yùn)行，1、2號機(jī)組設(shè)備運(yùn)行已近20年，運(yùn)行期間核島板換經(jīng)常發(fā)生內(nèi)漏和外漏等缺陷，對現(xiàn)場環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行及機(jī)組安全帶來一定的影響，通過歷史統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，在機(jī)組運(yùn)行期間，核島板換出現(xiàn)非預(yù)期的缺陷次數(shù)達(dá)到了56次，其中內(nèi)漏34次，外漏22次，在核電核島板換中屬于缺陷率較高的水平。

本文將對所有歷史缺陷進(jìn)行梳理，分析其中幾項(xiàng)重要的原因，并針對性提出改進(jìn)建議。

二、主要缺陷

(一)缺陷類型。日常運(yùn)行期間，核島板式主要缺陷表現(xiàn)為外漏和內(nèi)漏。

1.外漏。在日常運(yùn)行期間，核島板換發(fā)生外漏，其內(nèi)部流通介質(zhì)外漏至廠房，外漏直接原因?yàn)榘迤g密封故障，且所有外漏均發(fā)生在海水介質(zhì)側(cè)。外漏根據(jù)表現(xiàn)可分為滲漏(量小，水滴不連續(xù))和泄漏(量大，水滴連續(xù))。為保證板片間的可靠密封，在板式換熱器解體后組裝時(shí)，其安裝完成后的板片組厚度值A(chǔ)要求在一定范圍，該值與板片厚度、板片凹槽深度及板片數(shù)量相關(guān)。

板片安裝時(shí)，由于板片通過金屬懸掛槽懸掛于上部承載桿之上，由于板片自重及板片較大，整體剛度較小，會使安裝時(shí)懸掛槽與上部承載桿存在卡澀的情況，導(dǎo)致在安裝時(shí)某些板片膠條在靠近上端處未壓到位，當(dāng)啟機(jī)時(shí)會發(fā)生外漏，當(dāng)運(yùn)行一段時(shí)間后，此種外漏有可能會消失，由于系統(tǒng)運(yùn)行壓力的沖擊下，將未壓實(shí)到位的板片糾正到位。所以檢修時(shí)要控制好A值，并在安裝板片時(shí)注意撥動上部懸掛槽，整組板片分多次逐批推到位，減少一次性大量推動時(shí)存在的卡澀。

另外，板片間的密封依靠板片之間的密封膠條來實(shí)現(xiàn)，如果密封膠條脫落、膠條密封面有異物、密封膠條老化、破損等情況也會造成外漏。

板片上密封膠條是通過人工擠膠與板片粘接壓緊，然后在一定溫度下進(jìn)行高溫固化完成，如圖2所示。如果某處涂膠不均勻，粘接不牢會導(dǎo)致密封條脫落，造成外漏。在現(xiàn)場檢修時(shí)，如果膠條表面異物清理不干凈，膠也會造成外漏。此外密封膠條屬于橡膠類制品，存在老化等情況，循環(huán)板片備件存放環(huán)境不符合恒溫恒濕的條件，也會進(jìn)一步加速老化，同時(shí)檢修頻繁，多次拆裝后橡膠密封回彈性下降，也將造成外漏。

圖2 密封膠條施工

2.內(nèi)漏。在日常運(yùn)行期間，板式換熱器會發(fā)生內(nèi)漏，由于RRI側(cè)介質(zhì)壓力較SEC海水側(cè)壓力高，內(nèi)漏會使RRI側(cè)設(shè)冷水向SEC海水側(cè)泄漏，造成RRI水箱液位下降，日常運(yùn)行期間可以通過水箱液位判斷板換是否存在內(nèi)漏，再通過逐個(gè)隔離核島板換排查出哪臺核島板換存在內(nèi)漏。內(nèi)漏的直接原因?yàn)榘迤┛祝迤┛椎挠绊懸蛩剌^多，從歷史的檢修來看，有正常長期運(yùn)行的磨損減薄穿孔，穿孔的區(qū)域范圍內(nèi)存在減薄，長期運(yùn)行后在某一點(diǎn)發(fā)生穿孔。另外還有一種穿孔在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，大部分是由于板片間異物，造成某點(diǎn)板片間流態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生局部高流速快速磨損穿孔，如圖3所示。

圖3 磨損穿孔

(二)歷史缺陷分析。對該廠2004年以來的歷史缺陷情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)對缺陷影響較大的一些問題，主要如下。

1.板片老舊。對1、2號機(jī)組運(yùn)行近17年的缺陷次數(shù)按照前6年和6年之后的年平均缺陷次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到表1的數(shù)據(jù)，可以看出，6年之后的年平均缺陷次數(shù)成倍增加，表明隨著運(yùn)行年限的增加，核島板換出現(xiàn)缺陷的頻次增加。

表1 核島板換年均缺陷次數(shù)統(tǒng)計(jì)

該廠所在的地區(qū)為杭州灣入海口處，海水中泥沙含量高，對板片產(chǎn)生的磨損也較其它核電廠嚴(yán)重，運(yùn)行年限的增長，導(dǎo)致板片減薄，在后期的運(yùn)行中出現(xiàn)穿孔，形成內(nèi)漏。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，目前該廠1、2號機(jī)組板式換熱器現(xiàn)場使用以及備件板片中，2000年前的板片數(shù)量約占到了50%(如圖4所示，從標(biāo)記上可以看出該板片為1998年生產(chǎn))。

圖4 板片掛耳上部制造年份標(biāo)記

2.板片檢修不充分。該廠各機(jī)組每次大修需對4臺板式換熱器進(jìn)行清洗檢查，每臺核島板換508張板片，由于核島板換在大修停機(jī)時(shí)仍需要保證一列的運(yùn)行，倒列時(shí)間短，因此每臺核島板換的檢修時(shí)間僅3～4天，工作內(nèi)容包括拆解、逐張板片清洗檢查、回裝、水壓試驗(yàn)等工作。

3～4天時(shí)間相當(dāng)緊張，造成板片清洗檢查檢修存在不充分的情況：一是無法對板片密封膠條生產(chǎn)日期進(jìn)行全面檢查，造成有部分板片密封膠條超壽期使用；二是容易漏檢減薄的板片；這些問題會導(dǎo)致后續(xù)水壓試驗(yàn)無法一次性通過或投運(yùn)后不久的重復(fù)檢修問題，據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，最多的返工次數(shù)達(dá)到了7次之多，某臺核島板換在2011年6、7、8月份連續(xù)進(jìn)行了3次內(nèi)漏檢修，3次檢修中先后發(fā)現(xiàn)板片穿孔、板片穿孔及減薄、板片穿孔及減薄，當(dāng)水壓試驗(yàn)無法一次性通過時(shí)，就需要重新返工，3～4天的工期還需要考慮返工時(shí)間，這些對檢修工作造成巨大的壓力，核島板換基本是屬于倒班檢修的狀況，人員的疲勞進(jìn)一步影響檢修的質(zhì)量。

3.上游異物。核島核島板換在設(shè)計(jì)時(shí)，要求進(jìn)入板式換熱器的砂子顆粒直徑<2mm，因此核島板換上游設(shè)置了過濾器，過濾精度為2mm。但在2019年，該廠核島板換發(fā)生缺陷次數(shù)達(dá)到了9次之多，解體檢查發(fā)現(xiàn)板片間存在較多硬質(zhì)異物，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)為上游過濾器下游與核島板換上游之間的SEC管道、閥門等的防腐涂層，如圖5所示，這些脫落涂層尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上游要求的過濾精度尺寸，進(jìn)入核島板換之后卡在板片間造成板片局部流速發(fā)生變化，在較短的時(shí)間內(nèi)使板片穿孔內(nèi)漏。

圖5 脫落的防腐涂層

另外在歷史檢修中還發(fā)現(xiàn)部分不明物質(zhì)粘附在板片的某些區(qū)域，造成介質(zhì)流動形態(tài)發(fā)生改變，致使板片快速的磨損穿孔發(fā)生內(nèi)漏，圖6為某次檢修發(fā)現(xiàn)的異物及穿孔情況。

圖6 板片異物造成穿孔

4.板片未按排片順序安裝。在通過歷史缺陷的對比，發(fā)現(xiàn)3、4號機(jī)組的年平均缺陷次數(shù)較1、2號機(jī)小，如表2所示，通過研究檢修規(guī)程對比，3、4號機(jī)嚴(yán)格按照了設(shè)備的板片排片表進(jìn)行了布置，如表3所示，而1、2號機(jī)檢修規(guī)程無板片排片要求。

表2 四臺機(jī)組前6年平均缺陷次數(shù)對比

表3 檢修規(guī)程中板片安裝順序要求

說明：類型1為小角度，類型2為大角度

如表3中描述，板式換熱器存在大、小角度板，如圖8所示，兩者各有特點(diǎn)，大角度板流速快，傳熱效果高，但壓降高，小角度板效果反之，在板片組的設(shè)計(jì)時(shí)需考慮整個(gè)換熱性能及壓降要求來進(jìn)行板片布置，不同板片組合的效果如圖9所示。

圖8 大小角度板

圖9 不同角度板片組合

查詢了該廠各核島板換的壓降值，發(fā)現(xiàn)該廠1、2號機(jī)組的板片壓降要高于3、4號機(jī)組的板片壓降，表明1、2號機(jī)板片的排片順序有影響，高壓降和高湍流加速了板片的磨損，使得1、2號機(jī)的缺陷較3、4號機(jī)高。

5.板片返修不當(dāng)。該廠板式換熱器每次大修清洗檢查更換下來的板片，都返廠進(jìn)行檢修，下圖10為缺陷板片檢修流程。從返修流程中可以看出，該廠對于部分缺陷板片執(zhí)行了補(bǔ)焊后進(jìn)行復(fù)用，由于板片材質(zhì)為鈦，所需補(bǔ)焊的面積較小，一般穿孔尺寸都不大于2mm，補(bǔ)焊采用釬焊工藝，存在接頭強(qiáng)度低、耐熱性差、焊前清整要求嚴(yán)格的問題，在應(yīng)用于該廠海水泥沙含量大的介質(zhì)中時(shí)，其可靠性不高，補(bǔ)焊的位置會短時(shí)間內(nèi)再次發(fā)生穿孔，導(dǎo)致板片使用周期縮短發(fā)生內(nèi)漏。

圖10 缺陷板片檢修流程

三、改進(jìn)建議

通過以上的分析，為減少該廠核島板換缺陷，提高設(shè)備可用率，針對以上問題，提出以下幾條建議。

(一)對使用近20年的板片進(jìn)行報(bào)廢。對庫存循環(huán)板片備件進(jìn)行清理，篩選出2000年以前的板片，將其進(jìn)行報(bào)廢。對于現(xiàn)場使用的板片，在解體檢修中核查板片生產(chǎn)日期，在循環(huán)板片備件充足的情況下，將2000年以前的板片進(jìn)行替換，如循環(huán)板片不足的話，采購一定數(shù)量的板片進(jìn)行替代。

(二)采用循環(huán)備件檢修。由于核島板換檢修周期短，可用考慮使用整機(jī)循環(huán)備件進(jìn)行檢修，每次檢修直接將整個(gè)板片拆卸更換508片新板片，拆卸下的板片返廠進(jìn)行詳細(xì)檢查，這樣不存在工期的壓力，而且返廠能夠使用熒光檢查發(fā)現(xiàn)板片微小的穿孔等缺陷，如圖11所示為板片的熒光檢測，且能夠?qū)崿F(xiàn)板片密封膠條性能的一致。

圖11 板片返廠滲透檢查

(三)嚴(yán)格按照出廠設(shè)計(jì)的板片排片圖進(jìn)行安裝。對1、2號機(jī)組的核島板換檢修規(guī)程進(jìn)行升版修改，增加板片排片布置的要求，恢復(fù)板片原設(shè)計(jì)的性能要求，不至于混亂的排片順序造成高湍流和高壓降的情況出現(xiàn)，導(dǎo)致板片使用壽命縮短。

(四)控制好上游異物。對核島板換入口海水管道的防腐涂層進(jìn)行定期檢查，取消硬質(zhì)易脆裂的陶瓷防腐涂層，使用油漆涂層進(jìn)行防腐，防止發(fā)生大面積大塊脫離，卡在板片間造成板片磨損穿孔的情況。

(五)返修標(biāo)準(zhǔn)，不使用補(bǔ)焊板片。修改板片的返修標(biāo)準(zhǔn)，對檢查出的穿孔板片直接進(jìn)行報(bào)廢。

四、結(jié)語

面對海水水質(zhì)狀況比較惡劣的狀況，電廠需改變思想，將老舊板片逐步報(bào)廢替代，并投入資金采購整機(jī)板片，執(zhí)行整機(jī)循環(huán)備件的檢修策略，并嚴(yán)格安裝設(shè)計(jì)的板片排片順序大小角度交替安裝，同時(shí)對海水側(cè)上游的管道涂層加強(qiáng)監(jiān)督或是更換涂層型式等方式來確保板片安全運(yùn)行。