核電廠發(fā)電機(jī)空冷器新型堵漏工藝開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

崔運(yùn)佳

（秦山核電維修一處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

秦山核電一廠（以下簡(jiǎn)稱(chēng)秦一廠）共有8臺(tái)發(fā)電機(jī)空氣冷卻器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)空冷器），在2017年期間多臺(tái)空冷器發(fā)生了傳熱管大面積泄漏的情況，漏管數(shù)超出了空冷器設(shè)計(jì)裕量，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)風(fēng)溫異常升高，若不及時(shí)在線處理解決，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)風(fēng)溫超出運(yùn)行限值，存在較大的機(jī)組降功率甚至停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。然而，由于單臺(tái)空冷器的冷卻功率有限，在不降低機(jī)組功率的情況下不具備同時(shí)隔離兩臺(tái)空冷器進(jìn)行檢修或更換的條件。在此情況下亟待開(kāi)發(fā)一種核電站空冷器新型在線堵漏工藝，在機(jī)組不降功率的情況下快速消除泄漏缺陷，恢復(fù)空冷器的冷卻功能。

在常規(guī)的空冷器檢修中，傳熱管泄漏后一般采用堵管工藝進(jìn)行堵漏，堵管工藝使用尼龍堵頭，對(duì)泄漏傳熱管兩端進(jìn)行堵塞，達(dá)到阻止介質(zhì)從傳熱管流出的目的。該方法雖然簡(jiǎn)單高效，但是會(huì)降低發(fā)電機(jī)空冷器的傳熱效率，且堵管數(shù)量有上限要求，不得超過(guò)設(shè)計(jì)要求的堵管率≤8%。由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，空冷器累計(jì)堵管數(shù)量較多，且由于空冷器傳熱管管側(cè)結(jié)構(gòu)為翅片式，翅片與傳熱管相對(duì)固定，不具備在線更換的條件，因此導(dǎo)致空冷器整體堵管率逐年上升，已接近堵管數(shù)量的上限，如不及時(shí)將已堵傳熱管的功能恢復(fù)，將直接導(dǎo)致空冷器冷卻功能劣化，及發(fā)電機(jī)不可運(yùn)行。本文針對(duì)如何恢復(fù)空冷器已堵管道的冷卻功能的技術(shù)問(wèn)題開(kāi)發(fā)了一種新型堵漏工藝，在保留傳熱管部分冷卻功能的前提下成功消除了傳熱管漏水缺陷，顯著提高了空冷器的冷卻能力，保證了發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 空冷器及其傳熱管泄漏機(jī)理簡(jiǎn)介

1.1 空冷器結(jié)構(gòu)原理介紹

空氣冷卻器是利用空氣與流體進(jìn)行熱交換的換熱器。管內(nèi)的熱流體通過(guò)管壁和翅片與管外空氣進(jìn)行換熱。秦一廠的空冷器管內(nèi)介質(zhì)為海水，管外介質(zhì)為發(fā)電機(jī)小室空氣。由于空氣側(cè)的傳熱系數(shù)低，故管外加裝了翅片，以增加傳熱面積和減小熱阻?？绽淦鹘Y(jié)構(gòu)由傳熱管、管板、翅片、蓋板等組成。海水從進(jìn)水室進(jìn)入，經(jīng)過(guò)傳熱管對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，然后由折回水室回流，最終通過(guò)回水室返回海水系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)空氣冷卻器結(jié)構(gòu)原理示意圖

1.2 空冷器傳熱管泄漏機(jī)理及傳統(tǒng)堵漏方法介紹

1.2.1 設(shè)計(jì)原因

該核電機(jī)組發(fā)電機(jī)的6號(hào)空冷器因堵管率高（16.8%、堵管20根），超過(guò)設(shè)計(jì)要求的堵管率≤8%，同時(shí)考慮發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度在2016年夏季接近發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)設(shè)計(jì)額定溫度45℃，為保證發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度在2017年夏季不出現(xiàn)超設(shè)計(jì)溫度的情況，電廠設(shè)備管理人員安排在2016年的機(jī)組大修中對(duì)6號(hào)空冷器進(jìn)行了整體更換。同時(shí)考慮發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度在前一年夏季接近發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)設(shè)計(jì)額定溫度45℃，為保證發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度在本年度夏季不出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)溫度運(yùn)行的情況，設(shè)備工程師還同時(shí)安排了堵管率較高的4號(hào)、5號(hào)和8號(hào)三臺(tái)空冷器的整體更換，原空冷器材質(zhì)為鈦管，由于鈦管換熱器采購(gòu)時(shí)間長(zhǎng)等原因，設(shè)備工程師采購(gòu)了材質(zhì)為B10白銅管的空冷器，并在2016年的機(jī)組大修k對(duì)4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)和8號(hào)空冷器進(jìn)行了更換。更換新空冷器后，發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度明顯降低，在2017年7月14日前，發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度保持在40℃左右，空冷器運(yùn)行狀態(tài)良好（原設(shè)計(jì)圖紙如圖2所示）。

圖2 發(fā)電機(jī)空氣冷卻器冷卻管設(shè)計(jì)圖

原圖紙技術(shù)數(shù)據(jù)：

a）冷卻能力2 400 kW

b）運(yùn)行水量720 t/h

c）運(yùn)行壓力0.1 MPa

d）最大運(yùn)行水壓0.3 MPa

e）風(fēng)壓降600 mmH2O(風(fēng)速3.3 m/s）

f）最高進(jìn)水溫度33℃

g）出風(fēng)溫度40℃

新更換的四臺(tái)空冷器在運(yùn)行不到半年的時(shí)間內(nèi)，相繼出現(xiàn)傳熱管泄漏的問(wèn)題，且單臺(tái)空冷器傳熱管泄漏的數(shù)量較多，缺陷頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，存在較為明顯的共模故障。更換前采用鈦管作為冷卻管的空冷器已經(jīng)持續(xù)運(yùn)行快30年，雖然隨著運(yùn)行時(shí)間的增加堵管率也增加，但沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)本次采用B10白銅管為冷卻管的空冷器這樣短時(shí)間大面積泄漏。實(shí)踐證明：原設(shè)計(jì)的冷卻管材質(zhì)B10不適合現(xiàn)場(chǎng)含沙量較高的海水運(yùn)行工況，傳熱管會(huì)在海水沖刷下腐蝕。

1.2.2 環(huán)境原因

秦一廠空冷器傳熱管的管內(nèi)外介質(zhì)為海水和空氣，由于發(fā)電機(jī)小小室內(nèi)空氣干燥無(wú)水分且流速低，空氣往往不會(huì)對(duì)傳熱管造成腐蝕。而管內(nèi)的海水由于含有多種陰陽(yáng)離子以及大量泥沙，會(huì)對(duì)傳熱管造成化學(xué)腐蝕及物理沖蝕，最終造成傳熱管減薄破損泄漏。

1.2.3 傳統(tǒng)空冷器傳熱管堵漏方法

a）堵頭物理封堵工藝。加工與傳熱管對(duì)應(yīng)尺寸的尼龍材質(zhì)堵頭，堵頭為錐度1∶10結(jié)構(gòu)，確定漏管后，傳熱管兩頭用尼龍堵頭堵死敲緊，防止海水進(jìn)入該漏管，最終達(dá)到堵漏的目的。

b）更換傳熱管工藝。使用專(zhuān)用工具對(duì)密封焊進(jìn)行打磨，切除舊的傳熱管兩端頭，鉆出管板處的舊管道，取出舊的傳熱管，切取合適長(zhǎng)度的傳熱管將預(yù)制好的傳熱管穿入兩側(cè)管板中；按照焊接要求對(duì)兩側(cè)的傳熱管與管板進(jìn)行焊接，使用脹管器對(duì)兩側(cè)管板孔內(nèi)傳熱管進(jìn)行脹管處理；目視檢查脹管位置有無(wú)破裂、鼓包等異?，F(xiàn)象，對(duì)焊接位置進(jìn)行探傷檢查，設(shè)備回裝以后，殼側(cè)充水打壓試驗(yàn)，檢查是否有泄露。

c）停機(jī)小修整體更換，按檢修方案進(jìn)行更換。

然而以上三種方案均存在以下問(wèn)題：

方案a：因現(xiàn)場(chǎng)四臺(tái)發(fā)電機(jī)空氣冷卻器堵管率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)計(jì)要求的堵管率≤8%，現(xiàn)場(chǎng)方案a已經(jīng)無(wú)法實(shí)施。

方案b：因傳熱管管側(cè)結(jié)構(gòu)為翅片式，翅片與傳熱管為緊配合固定，現(xiàn)場(chǎng)傳熱管無(wú)法進(jìn)行抽出直接更換。

方案c：整體更換首先需要停機(jī)小修，工期約為7天，按每天0.07億千瓦時(shí)發(fā)電量計(jì)算每天損失約300萬(wàn)元，關(guān)鍵是設(shè)備備件當(dāng)時(shí)倉(cāng)庫(kù)沒(méi)有存貨，當(dāng)時(shí)緊急采購(gòu)也需要3個(gè)月以上才能到貨，根據(jù)以上3種傳統(tǒng)檢修方案現(xiàn)場(chǎng)都無(wú)法實(shí)施，在此情況下亟待開(kāi)發(fā)一種核電站空冷器新型在線堵漏工藝，在保證機(jī)組不停機(jī)降功率的情況下快速消除泄漏缺陷。

2 空冷器新型堵漏工藝方案

2.1 新型堵漏工藝概述

新型堵漏工藝是在泄露傳熱管內(nèi)穿進(jìn)一根新傳熱管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)襯管工藝），兩根傳熱管之間為間隙配合，然后使用脹管工藝使兩根傳熱管與管板脹接固定，最后使用耐海水專(zhuān)用防腐涂料進(jìn)行管板密封。新型堵漏工藝主要包括傳熱管查漏、襯管試驗(yàn)、襯管實(shí)施、柔性堵漏等步驟，以下將逐條詳細(xì)介紹。

2.2 傳熱管查漏工藝

采用真空查漏方法對(duì)傳熱管進(jìn)行查漏，傳熱管一端用堵頭堵住密封，另外一端使用真空檢漏儀進(jìn)行抽真空。若傳熱管泄露，則傳熱管無(wú)法建立真空，可以通過(guò)真空負(fù)壓表觀察；若抽真空后負(fù)壓表示數(shù)保持穩(wěn)定，則傳熱管為泄露，反之則判定為漏管。確認(rèn)漏管后做好標(biāo)記，以便進(jìn)行下一步處理。

2.3 襯管堵漏工藝

當(dāng)傳熱管發(fā)生大面積泄漏，若采用堵管的方式，堵管數(shù)會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)裕量，此時(shí)空冷器的換熱效率將不會(huì)滿足使用要求。在此基礎(chǔ)之上，開(kāi)發(fā)了一種新型的襯管堵漏工藝。襯管工藝包括襯管試驗(yàn)、襯管準(zhǔn)備、襯管實(shí)施及管道脹接四個(gè)步驟，以下分別進(jìn)行介紹。

圖3 真空查漏法現(xiàn)場(chǎng)照片

2.3.1 襯管試驗(yàn)

為了使穿管順利，兩管應(yīng)能相對(duì)移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，新管與舊管間為間隙配合，根據(jù)公差配合標(biāo)準(zhǔn)，選用b11、b12公差配合代號(hào)進(jìn)行加工測(cè)試，具體應(yīng)提前進(jìn)行襯管試驗(yàn)，為保證換熱效果，最終尺寸選擇應(yīng)在能順利穿進(jìn)舊管的前提下越小越好。

圖4 襯管試驗(yàn)照片

2.3.2 襯管準(zhǔn)備

使用毛刷對(duì)傳熱管內(nèi)部進(jìn)行清理，清理完后用除鹽水沖洗原傳熱管，防止襯管時(shí)有臟污影響穿管；根據(jù)襯管試驗(yàn)中確認(rèn)的尺寸選取傳熱管，并將傳熱管切割到原管長(zhǎng)度（可略長(zhǎng)一些）；使用砂紙打磨新傳熱管兩端；使用真空硅脂均勻涂抹在傳熱管外部，一方面可以增加順滑方便襯管，另一方面可以填充間隙，增強(qiáng)兩管之間的導(dǎo)熱性。

2.3.3 襯管實(shí)施

襯管采用人工方式進(jìn)行，由兩至三人合力將新管穿到原泄漏管中，穿管時(shí)應(yīng)注意新管要保持水平，若遇到卡澀情況可使用銅棒及鐵錘輕輕敲進(jìn)。

2.3.4 管道脹接

穿管完成后，傳熱管兩端使用脹管機(jī)進(jìn)行脹管，使新管、舊管、管板三者徑向脹接在一起，增強(qiáng)密封性。

2.4 柔性堵漏工藝

傳統(tǒng)方法為進(jìn)行管板密封，脹管完成后需進(jìn)行密封焊處理，而密封焊對(duì)焊工操作要求高，耗費(fèi)工時(shí)長(zhǎng)。為達(dá)到快速堵漏的目的，本工藝采用了防腐柔性堵漏的方法進(jìn)行密封。

選用耐海水陶瓷防腐涂料均勻涂抹在管板及管口，48 h后即可晾干，耐海水陶瓷防腐涂料兼具硬度與耐腐蝕性。此方法既可以增強(qiáng)管板的耐海水腐蝕性及沖刷性，又可以增強(qiáng)管板密封，可以起到密封焊點(diǎn)效果，最終達(dá)到堵漏的目的。

圖5 襯管工藝示意圖

3 效果驗(yàn)證

為檢查新型堵漏工藝的實(shí)施效果，從密封性與換熱效果兩方面進(jìn)行驗(yàn)證。

（1）采用水壓試驗(yàn)的方式對(duì)空冷器管側(cè)進(jìn)行打壓，觀察壓力表是否在30min保持示數(shù)穩(wěn)定。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)空冷器水側(cè)壓力穩(wěn)定，空冷器采用新型堵漏工藝后密封性良好。

（2）通過(guò)測(cè)量海水溫度及空冷器熱側(cè)相關(guān)設(shè)備溫度及空氣風(fēng)溫，最終得到以下數(shù)據(jù)對(duì)比（見(jiàn)圖6）。由圖可見(jiàn)，新型堵漏工藝對(duì)空冷器換熱效率影響微乎其微，空冷器可以正常工作，相比于堵管，換熱效率大大提高。

圖6 柔性堵漏實(shí)施效果照片

堵漏完成后，設(shè)備最終投用。

圖7 新型堵漏實(shí)施前后溫度對(duì)比圖

4 后續(xù)建議與展望

傳熱管材質(zhì)選擇應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)備使用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行材質(zhì)替代時(shí)需要進(jìn)行充分的評(píng)估，應(yīng)綜合考慮介質(zhì)成分、介質(zhì)流速、環(huán)境溫度等因素。

發(fā)電機(jī)空氣冷卻器新型堵漏工藝為管式換熱器在線快速堵漏提供了一種新的思路，且實(shí)施效果良好，成功避免了機(jī)組停機(jī)小修，空冷器小修進(jìn)行更換至少需要7天時(shí)間，使用新型堵漏工藝可在線對(duì)每臺(tái)空冷器進(jìn)行堵漏，從而創(chuàng)造了具體巨大的發(fā)電效益。此工藝快速有效，可行性好，可以推廣到其他核電廠，具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景和潛在經(jīng)濟(jì)效益。