核電廠凝汽器堵管狀態(tài)研究及可用性分析

祖 帥，車銀輝，劉艷莊

（蘇州熱工研究院有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

凝汽器作為核電廠二回路的重要熱力設(shè)備，其主要作用是將汽輪機(jī)排汽和熱力系統(tǒng)中的各種乏汽凝結(jié)，并通過循環(huán)冷卻水不斷將凝結(jié)潛熱散發(fā)到環(huán)境中[1-3]。凝汽器體積巨大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含大量冷卻水管且各冷卻水管間的間隙很小，凝汽器運(yùn)行可靠性直接影響著機(jī)組的安全和效率。自2010 年至今，CPR1000 核電機(jī)組某型凝汽器已累計發(fā)生6 起因鈦管跨距設(shè)計缺陷導(dǎo)致運(yùn)行過程中鈦管振動過大導(dǎo)致的海水泄漏問題[4]。

為了避免因鈦管振動大導(dǎo)致海水泄漏，該型凝汽器普遍采用了針對高風(fēng)險區(qū)預(yù)防性堵管的措施，部分核電廠預(yù)防性堵管數(shù)量已經(jīng)接近或超出設(shè)計允許的堵管數(shù)量（表1）。其中，A 核電廠凝汽器雖在設(shè)計階段留有一定堵管設(shè)計余量，但目前堵管數(shù)量已接近設(shè)計上限。B 核電廠凝汽器在設(shè)計階段并無堵管余量，但目前堵管比例也已高達(dá)6.49%。隨著堵管數(shù)量的繼續(xù)增加，將繼續(xù)降低核電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。隨著凝汽器防振條的全面加裝，鈦管振動大的問題已經(jīng)得到控制，已堵鈦管具備恢復(fù)可用性的前提。目前行業(yè)內(nèi)針對凝汽器正常運(yùn)行鈦管進(jìn)行了大量研究[5-9]，但仍缺乏針對凝汽器已堵鈦管實際狀態(tài)和性能的綜合研究。

表1 CPR1000 機(jī)組已堵堵管數(shù)量

針對核電廠某型凝汽器已堵鈦管進(jìn)行了專項研究和分析，包括已堵鈦管的渦流檢查、已堵鈦管拔管檢查、金屬學(xué)分析和振動特性分析。同時基于已堵鈦管狀態(tài)分析結(jié)果，對鈦管恢復(fù)可用性進(jìn)行了分析和討論。已堵鈦管雖存在一定程度的磨損和開裂問題，但是力學(xué)性能、振動特性等均未見異常，具備恢復(fù)可用性的基礎(chǔ)，可以為凝汽器已堵鈦管的狀態(tài)研究和可用性分析提供參考。

1 設(shè)備介紹

以某CPR1000 機(jī)組凝汽器為例，該凝汽器采用雙殼體、單流程、單背壓，表面式凝汽器。凝汽器主要由喉部、換熱模塊、熱井、集水箱、閃蒸箱、水室、雙聯(lián)低加、旁路擴(kuò)散器、凝結(jié)水過濾裝置及凝汽器抽氣裝置等組成（圖1）。殼體內(nèi)共設(shè)有4 組管束模塊來凝結(jié)汽輪機(jī)排汽，共分為兩列（A 列和B 列），分別為A1 模塊、B2 模塊、A3 模塊、B4 模塊。管束頂部外圍采用Ф25×0.7 mm的鈦管，主凝結(jié)區(qū)及空冷區(qū)采用Ф25×0.5 mm 的鈦管，管束形狀為樅樹形。

圖1 中子通量測量通道布置

2 已堵鈦管狀態(tài)研究

2.1 已堵鈦管渦流檢查

為了系統(tǒng)地研究已堵鈦管的狀態(tài)變化，某核電廠機(jī)組大修期間，選取受蒸汽沖擊較為強(qiáng)烈的區(qū)域，對已堵鈦管進(jìn)行渦流檢查。檢查區(qū)域為A1 和B4 模塊的3 指表層和第二層鈦管（圖2）。其中A1 模塊鈦管191 根，B4 模塊鈦管190 根，鈦管均為首輪大修堵管，截至目前已經(jīng)運(yùn)行約7 個循環(huán)。

圖2 凝汽器已堵鈦管抽檢位置

凝汽器A1 模塊鈦管渦流檢查結(jié)果見表2，其中THN 代表鈦管外壁減薄顯示、FFO 表示下次跟蹤觀察。根據(jù)渦流檢查結(jié)果，在經(jīng)歷了7 個運(yùn)行循環(huán)后，A1 模塊191 根鈦管中約8 根已堵鈦管出現(xiàn)了減薄問題，已堵鈦管缺陷比例為4.2%。大部分已堵鈦管的減薄程度在10%～30%，未發(fā)現(xiàn)鈦管開裂問題。A1 模塊8 根缺陷已堵鈦管均分布在靠近殼體壁面?zhèn)鹊牡?a 指表面第一層和第二層，而對稱側(cè)的3b 指表面第一層和第二層已堵鈦管區(qū)域并未發(fā)現(xiàn)缺陷鈦管。

表2 A1 模塊已堵鈦管渦流檢查結(jié)果

凝汽器B4 模塊鈦管渦流檢查結(jié)果見表3。根據(jù)渦流檢查結(jié)果，B4 模塊190 根鈦管中約18 根已堵鈦管出現(xiàn)了減薄問題，其中1 根鈦管出現(xiàn)了開裂問題。大部分已堵鈦管的減薄程度在10%～30%，已堵鈦管缺陷比例為9.5%。B4 模塊18 根缺陷鈦管除2 根分布在3a 指表面第一層和第二層外，其余缺陷鈦管均位于靠近殼體壁面?zhèn)鹊牡?b 指表面第一層和第二層。

表3 B4 模塊已堵鈦管渦流檢查結(jié)果

綜合A1 和B4 模塊渦流檢查結(jié)果，A1 模塊已堵鈦管缺陷比例為4.2%，B4 模塊已堵鈦管缺陷比例為9.5%，整體已堵鈦管缺陷比例為6.8%。且A1 與B4 模塊缺陷鈦管分布均靠近凝汽器殼體壁面?zhèn)龋尸F(xiàn)出了顯著的不均勻性。由于鈦管已經(jīng)進(jìn)行預(yù)防性封堵，鈦管開裂并未造成海水泄漏問題。由于已堵鈦管仍處于氣流沖擊較為劇烈的位置，因此其可能仍存在較大的振動問題，仍需要對鈦管進(jìn)行進(jìn)一步檢查分析。

2.2 已堵鈦管拔管檢查

為了研究凝汽器已堵鈦管的實際狀態(tài)，大修中針對凝汽器歷史堵管區(qū)域的開裂鈦管進(jìn)行了拔管檢查。拔管檢查結(jié)果表明，該鈦管斷口附近外表面存在環(huán)向的磨損形貌，表明已堵鈦管在凝汽器運(yùn)行過程中也出現(xiàn)了振動過大導(dǎo)致碰磨的問題；對已堵鈦管開裂的斷口進(jìn)行微觀觀察，發(fā)現(xiàn)斷口表面磨損嚴(yán)重，無法獲得裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌特征（圖3）。已堵鈦管在開裂過程中或開裂之后，兩側(cè)斷口之間產(chǎn)生的相互運(yùn)動會導(dǎo)致斷口碰磨。

圖3 已堵鈦管拔管檢查

2.3 已堵鈦管力學(xué)性能研究

2.3.1 化學(xué)成分分析

對已堵鈦管取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分分析結(jié)果見表4，未見其他異常腐蝕性元素。根據(jù)ASTM B338 Grade2中對鈦管的成分要求，凝汽器已堵鈦管的化學(xué)成分完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 化學(xué)成分分析結(jié)果

2.3.2 力學(xué)性能測試

根據(jù)ASTM E8/E8M 方法對已堵鈦管開展力學(xué)性能測試，測試結(jié)果見表5。根據(jù)ASTM B338 要求，已堵鈦管的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，力學(xué)性能未見異常。

表5 力學(xué)分析結(jié)果

2.3.3 金相組織觀察

采用金相顯微鏡對已堵鈦管焊縫位置和基體部分的金相組織進(jìn)行觀察，微觀尺度為100 μm（圖4）：已堵鈦管的金相組織和正常鈦管的金相組織基本相同，基體組織為等軸α 相晶粒，焊縫位置組織較為粗大的α 相和針狀或片層狀的α 相。

圖4 鈦管金相組織

2.4 已堵鈦管振動特性研究

為了研究凝汽器已堵鈦管的振動特性，根據(jù)凝汽器鈦管振動設(shè)計準(zhǔn)則，對堵管前、后鈦管的固有頻率f、振動幅度Ym、臨界流速Vc[10-11]等進(jìn)行分析和研究。

2.4.1 堵管對固有頻率f 的影響分析

堵管會使得鈦管內(nèi)無海水通過，使得鈦管單位長度上的質(zhì)量降低。根據(jù)ASME 關(guān)于凝汽器鈦管振動的設(shè)計準(zhǔn)則，鈦管振動的固有頻率f 主要取決于鈦管的跨距Lm、單位長度質(zhì)量m、彈性模量E 和截面慣量I。

當(dāng)凝汽器鈦管正常工作時，其單位長度質(zhì)量為0.614 kg/m，對應(yīng)的一階固有頻率為67.95 Hz。當(dāng)凝汽器進(jìn)行預(yù)防性堵管后，鈦管單位長度質(zhì)量為0.16 kg/m，其對應(yīng)的一階固有頻率為133.22 Hz。因此，鈦管堵管之后會成倍增加鈦管固有頻率，已堵鈦管固有頻率與汽輪發(fā)電機(jī)組工作頻率25 Hz 相距較遠(yuǎn)，更加不會發(fā)生共振問題。

2.4.2 堵管對臨界流速Vc影響分析

除了堵管對凝汽器鈦管固有頻率影響以外，還需要研究已堵鈦管產(chǎn)生流體彈性激振的可能性。根據(jù)ASME Code Appendix N1330，避免鈦管產(chǎn)生流體彈性激振的條件是凝汽器內(nèi)部最大蒸汽流速Va必須小于鈦管計算出的臨界流速Vc，否則將產(chǎn)生嚴(yán)重的流體彈性激振現(xiàn)象。

其中，臨界流速的計算主要與鈦管固有頻率f、單位長度鈦管質(zhì)量m 和蒸汽比容v 有關(guān)。結(jié)合鈦管固有頻率的計算方法和臨界流速的計算方法可以發(fā)現(xiàn)，鈦管臨界流速與鈦管質(zhì)量無關(guān)，鈦管質(zhì)量變化會影響自身固有頻率，但是不會影響鈦管的臨界流速。

2.4.3 堵管對鈦管振幅的影響分析

根據(jù)鈦管固有頻率的計算方法和ASLTOM 關(guān)于凝汽器鈦管振幅Ym的計算方法，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)凝汽器鈦管單位長度質(zhì)量m變化時，也不會影響已堵鈦管的振動幅度。鈦管的振動幅度主要取決于蒸汽流速Va、鈦管外徑D、固有頻率f 和蒸汽比容v 等參數(shù)，與是否進(jìn)行堵管并無關(guān)系。

綜上，根據(jù)凝汽器鈦管的振動特性研究，可以發(fā)現(xiàn)已堵鈦管的振動幅度和產(chǎn)生流體彈性激振的風(fēng)險與正常鈦管相同。

3 分析與討論

基于針對凝汽器已堵鈦管的分析結(jié)果，已堵鈦管力學(xué)性能、化學(xué)成分和金相組織均未見異常。已堵鈦管整體缺陷比例為6.8%，缺陷鈦管的減薄程度大多在10%～30%。分析結(jié)果表明已堵鈦管在經(jīng)歷了7 個大修循環(huán)后，損傷比例較少且損傷程度較低，表明已堵鈦管具備恢復(fù)可用性的基礎(chǔ)。但是已堵鈦管相對于正常鈦管的振動幅度和產(chǎn)生流體彈性激振的風(fēng)險方面并未改變，也存在同樣的振動大導(dǎo)致碰磨、開裂的現(xiàn)象。因此，建議針對需要恢復(fù)鈦管可用性的機(jī)組進(jìn)一步開展以下研究工作，制定具體恢復(fù)可用性的技術(shù)方案。

通過凝汽器三維流場數(shù)值仿真[12-15]和鈦管應(yīng)變測量手段，實現(xiàn)凝汽器鈦管在各種機(jī)組運(yùn)行工況下（比如機(jī)組甩負(fù)荷工況、凝汽器單列運(yùn)行工況[16-17]等）流體彈性激振高風(fēng)險區(qū)的識別。針對高風(fēng)險區(qū)已堵鈦管進(jìn)行防振條加裝的全覆蓋，徹底消除凝汽器鈦管的振動大問題。通過渦流檢查和拔管檢查相結(jié)合的方式，確定已堵鈦管的實際狀態(tài)，識別出鈦管減薄程度或是否存在其他缺陷。

4 結(jié)論

凝汽器A1 模塊已堵鈦管缺陷比例為4.2%，B4 模塊已堵鈦管缺陷比例為9.5%，整體已堵鈦管缺陷比例為6.8%，出現(xiàn)開裂的已堵鈦管比例為0.3%，缺陷鈦管的減薄程度大部分在10%～30%。已堵鈦管的缺陷分布規(guī)律為靠近壁面殼體側(cè)多，遠(yuǎn)離殼體側(cè)少，缺陷鈦管分布與氣流沖擊呈明顯的相關(guān)性。

綜上可知，凝汽器已堵鈦管缺陷比例較低，減薄程度較輕，且已堵鈦管化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、力學(xué)性能等均未見異常，已堵鈦管具備恢復(fù)可用性的基礎(chǔ)。但已堵鈦管也存在同樣的振動大導(dǎo)致碰磨、甚至開裂的問題。建議核電廠針對各自凝汽器的設(shè)計特點(diǎn)，結(jié)合凝汽器高風(fēng)險區(qū)識別、防振條自動加裝工具開發(fā)等措施，制定已堵鈦管恢復(fù)可用的具體方案。