核電廠凝汽器傳熱管缺陷處理與分析

□李開盈 王 旭 陳 松 邱 波 王玉彬 李定強(qiáng)

凝汽器是一種大型管殼式換熱器，循環(huán)冷卻水通過水室、管板進(jìn)入換熱管，凝結(jié)水側(cè)接收來自低壓缸的排汽，這些排汽通過內(nèi)部流動(dòng)冷卻水的換熱管表面被冷凝成液體，熱能從蒸汽轉(zhuǎn)移到循環(huán)冷卻水被帶走。要使蒸汽凝結(jié)成水，所排出的熱量必須至少等于蒸汽的汽化潛熱，汽化潛熱的大小將取決于凝汽器內(nèi)部壓力和排汽質(zhì)量。近年來，國內(nèi)核電廠發(fā)生多起凝汽器傳熱管損傷事件，如凝汽器疏水?dāng)U容器減溫水彎頭破口導(dǎo)致傳熱管破損事件、汽機(jī)隔熱罩脫焊打擊傳熱管損傷事件等，機(jī)組運(yùn)行過程中，由于傳熱管管口密封焊，脹管區(qū)及換熱區(qū)的磨損，傳熱管壁厚減薄、傳熱管裂紋或破口等均可能致使凝汽器傳熱管發(fā)生泄漏。凝汽器泄漏海水進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)，使得凝結(jié)水水質(zhì)超出化學(xué)技術(shù)規(guī)范，引發(fā)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水質(zhì)惡化，對(duì)機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行造成重大影響，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致停機(jī)停堆。

一、凝汽器傳熱管介紹

該電廠4臺(tái)機(jī)機(jī)組均有3臺(tái)凝汽器，每臺(tái)凝汽器由結(jié)構(gòu)完全相同的兩列組成，每列內(nèi)裝有Φ25X0.7mm規(guī)格的脹接+密封焊傳熱管，1、2機(jī)組共有傳熱管34,800根，換熱面積為35,400m2,3、4機(jī)組共有傳熱管35,532根，換熱面積為36,000m2傳熱管均為TAI材質(zhì)，管板材料均為鈦鋼復(fù)合板，海水側(cè)水室材料為Q25-A，采用襯膠防腐。

二、凝汽器傳熱管缺陷原因分析

經(jīng)調(diào)研國內(nèi)各個(gè)核電廠凝汽器傳熱管缺陷原因，主要分為以下三類。

(一)凝汽器海側(cè)風(fēng)險(xiǎn)源造成傳熱管損傷。由于二次濾網(wǎng)網(wǎng)片破損、陽極塊脫落、海水側(cè)泥沙沖刷、異物進(jìn)入傳熱管等造成傳熱管管口密封焊破損或腐蝕、傳熱管沖刷減薄或穿孔。

(二)凝汽器汽側(cè)風(fēng)險(xiǎn)源造成傳熱管損傷。凝汽器汽側(cè)異物脫落打擊、汽機(jī)通流部件異物脫落打擊，造成傳熱管變形、穿孔或斷裂。

(三)沖刷與振動(dòng)。特殊工況下管束振動(dòng)、摩擦或蒸汽沖刷、減溫水沖刷等，造成傳熱管減薄或穿孔。

經(jīng)分析，該電廠各機(jī)組凝汽器傳熱管缺陷原因主要為凝汽器汽側(cè)與海側(cè)風(fēng)險(xiǎn)源造成傳熱管損傷，如歷史上曾發(fā)生過“低壓缸次末級(jí)葉片斷裂打擊傳熱管造成泄漏、海水中泥沙沖刷造成傳熱管泄漏、進(jìn)口水室犧牲陽極脫落造成傳熱管損傷泄漏”等4次降功率或停機(jī)事件，目前水室內(nèi)原設(shè)計(jì)的犧牲陽極已拆除、二次濾網(wǎng)檢修方式等均已改進(jìn)優(yōu)化，在最近幾次機(jī)組大修中均已經(jīng)開展相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)排查工作，同時(shí)不斷優(yōu)化凝汽器預(yù)防性維修大綱及維修規(guī)程，從而提升凝汽器設(shè)備的可靠性。

三、凝汽器傳熱管堵管策略分析

傳熱管泄漏是凝汽器最常見的失效模式之一，也是國內(nèi)各核電廠凝汽器泄漏事件的主要原因，而幾乎所有的凝汽器泄漏事件均導(dǎo)致產(chǎn)生了機(jī)組降功率或停機(jī)事件。針對(duì)傳熱管泄漏缺陷，經(jīng)調(diào)研國內(nèi)各電廠堵管策略，常用的處理方式為用堵頭將缺陷傳熱管兩端封堵，根據(jù)堵頭的材質(zhì)和安裝方式，可將堵管分為以下4種方式。

(一)脹接式封堵。脹接封堵是利用外力，堵頭與缺陷傳熱管內(nèi)表面緊密接觸，達(dá)到密封和固定的效果。常用的脹接堵頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過緊固端部螺母擠壓中間橡膠膨脹環(huán)，達(dá)到密封效果。

圖1 脹接封堵示意圖

脹接封堵施工簡便，但其可靠性有待進(jìn)一步提高，特別是采用非金屬的尼龍或橡膠材料脹接，由于材料老化、螺栓螺母松動(dòng)等，使傳熱管存在安全隱患。

(二)帶錐度式尼龍堵頭封堵。利用外力將均有一定錐度的尼龍材質(zhì)的堵頭，打入缺陷傳熱管中，利用堵頭的錐面與傳熱管內(nèi)表面接觸達(dá)到密封效果。

尼龍式堵頭封堵施工較為簡便，堵頭可用尼龍棒直接加工，成本低，快捷方便，缺點(diǎn)在于隨著機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行尼龍堵頭可能會(huì)老化，同時(shí)運(yùn)行中存在沖刷脫落的風(fēng)險(xiǎn)，其可靠性有待進(jìn)一步提高,如圖2所示。

圖2 帶錐度式尼龍堵頭封堵示意圖

(三)內(nèi)芯和外套雙結(jié)構(gòu)形式尼龍封堵。堵頭由內(nèi)芯和外套兩部分組成，均為尼龍材質(zhì)，內(nèi)芯的錐度大于外套，靠外力打入缺陷傳熱管達(dá)到密封。施工方便，但國內(nèi)使用的時(shí)間較短，其可靠性待驗(yàn)證；堵頭由國外廠家制造，采購便利性稍差，同時(shí)存在老化沖刷的的風(fēng)險(xiǎn)，如圖3、4所示。

圖3 內(nèi)芯和外套雙結(jié)構(gòu)形式尼龍堵頭示意圖

圖4 內(nèi)芯和外套雙結(jié)構(gòu)形式尼龍堵頭實(shí)物圖

(四)焊接式封堵。焊接封堵的堵頭材質(zhì)與傳熱管材質(zhì)相同，一般為鈦材，采用焊接方式將堵頭安裝在缺陷傳熱管兩端，主要依靠焊縫實(shí)現(xiàn)密封，焊接封堵的結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。與脹接封堵相比，焊接封堵需要在凝汽器水室內(nèi)實(shí)施鈦材質(zhì)的焊接，工藝較為復(fù)雜；其優(yōu)點(diǎn)是堵頭連接可靠，不易脫落。

圖5 焊接封堵示意圖

(五)凝汽器傳熱管堵管狀況及處理。經(jīng)統(tǒng)計(jì)該電廠4臺(tái)機(jī)組凝汽器傳熱管堵管數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，近年來，隨著機(jī)組運(yùn)行，傳熱管堵管數(shù)量一致處于上升趨勢(shì)，其中2號(hào)機(jī)組凝汽器傳熱管堵管數(shù)量達(dá)59根。

目前該電廠4臺(tái)機(jī)組傳熱管缺陷均使用帶錐度式尼龍堵頭，對(duì)傳熱管進(jìn)出口兩端進(jìn)行封堵處理，具體處理方案為將管口清理干凈后，用橡膠錘將錐形堵頭打入管口內(nèi)，用力打?qū)?，堵頭露出管板不超過5mm即可，橡膠堵頭如下所示；

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于尼龍堵頭可直接加工，快捷方便、成本低，缺點(diǎn)在于隨著機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行尼龍堵頭可能會(huì)老化，同時(shí)運(yùn)行中存在沖刷脫落的風(fēng)險(xiǎn)，可能產(chǎn)生凝汽器泄漏事件，因此目前每一次機(jī)組大修都會(huì)對(duì)所有堵頭數(shù)量、堵管位置、緊固性進(jìn)行核實(shí)檢查，確保堵管可靠，保證凝汽器的正常運(yùn)行。

圖6 帶錐度式尼龍堵頭尺寸圖示

圖7 帶錐度式尼龍堵頭實(shí)物圖

圖8 堵管后實(shí)物圖

四、凝汽器傳熱管缺陷堵管方式對(duì)比分析

五、關(guān)于核電廠凝汽器傳熱管缺陷處理方案的建議

截止2020年，該核電廠4臺(tái)機(jī)組已運(yùn)行多年，從機(jī)組投運(yùn)凝汽器役前檢查開始，便有傳熱管堵管事件發(fā)生，隨著機(jī)組運(yùn)行，尼龍材質(zhì)的堵頭有老化開裂和沖刷脫落的風(fēng)險(xiǎn)，通過對(duì)比國內(nèi)各核電廠凝汽器傳熱管堵管方案，結(jié)合目前該電廠四臺(tái)機(jī)組的堵管情況，建議對(duì)凝汽器傳熱管堵管策略進(jìn)行優(yōu)化：一是針對(duì)凝汽器渦流檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)的不通管，疏通后仍無法通過，建議使用尼龍堵頭進(jìn)行封堵，后續(xù)每次大修進(jìn)行跟蹤檢查，確保無松動(dòng)；二是針對(duì)砸傷變形的傳熱管，若輕微變形，無碰撞風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)內(nèi)窺鏡檢查、PT無異常后，建議使用尼龍堵頭進(jìn)行封堵，后續(xù)每次大修跟蹤檢查，確保無松動(dòng)；若變形嚴(yán)重，有碰撞摩擦或開裂風(fēng)險(xiǎn)，建議拔管，再使用鈦堵頭焊接封堵；三是針對(duì)渦流檢查發(fā)現(xiàn)的沖刷減薄傳熱管，達(dá)到堵管標(biāo)準(zhǔn)的，建議使用鈦材質(zhì)堵頭焊接封堵，后續(xù)大修檢查傳熱管外壁有無進(jìn)一步?jīng)_蝕嚴(yán)重；四是針對(duì)穿孔或斷裂的傳熱管，建議直接拔管，安裝假管，鈦堵頭焊接堵管；五是針對(duì)密封焊磨損，若磨損痕跡寬度超過焊縫寬度50%，則補(bǔ)焊處理,無損檢測(cè)合格；補(bǔ)焊不合格，則建議使用鈦堵頭封堵；六是針對(duì)密封焊腐蝕，對(duì)腐蝕密封焊進(jìn)行無損檢測(cè)，若無損檢測(cè)不合格，則補(bǔ)焊處理，無損檢測(cè)合格；若腐蝕嚴(yán)重，建議直接拔管，安裝假管，使用鈦堵頭焊接堵管。

表1 凝汽器傳熱管缺陷堵管方式對(duì)比分析

針對(duì)缺陷傳熱管，需根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)周邊傳熱管進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查、渦流檢查等，確保無異常狀況，同時(shí)對(duì)已經(jīng)使用尼龍堵頭封堵的傳熱管，定期進(jìn)行全面更換，每次大修對(duì)所有堵頭數(shù)量、堵管位置、緊固性進(jìn)行核實(shí)檢查，確保堵管可靠，保證凝汽器的正常運(yùn)行，從而確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

六、結(jié)語

凝汽器作為核電站二回路的SPV設(shè)備，對(duì)于核電站機(jī)組的正常生產(chǎn)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，凝汽器的可靠性直接影響核電機(jī)組的可靠性。針對(duì)核電廠凝汽器傳熱管缺陷的原因進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，可以優(yōu)化電廠凝汽器設(shè)備的管理。