利用渦流檢測(cè)技術(shù),對(duì)某核電站泄漏的熱交換器用傳熱鈦管進(jìn)行抽樣檢測(cè);結(jié)合其工作環(huán)境,分析其失效形式.結(jié)果表明,熱交換器內(nèi)壁防腐橡膠脫落導(dǎo)致異物堵塞和沖刷腐蝕是導(dǎo)致鈦管失效的主因;海水流速過(guò)高和附近海域泥砂含量過(guò)大是導(dǎo)致鈦管失效的根本原因.最后對(duì)該電廠鈦管的防護(hù)提出解決方案.

沿海地區(qū)的電廠熱交換器一般用海水作為冷卻劑.傳熱管中流動(dòng)的冷卻海水可以帶走系統(tǒng)存在的熱量,在熱力循環(huán)中起到冷源的作用.在所有的金屬材料中,純鈦在平靜海水中的均勻腐蝕速度幾乎為零,同時(shí)具有抗高速海水的沖蝕磨損能力,鈦管在海水中具有優(yōu)良的抗蝕性能,使用壽命長(zhǎng)、安全、無(wú)泄漏,已逐步得到共識(shí)。目前對(duì)鈦管的檢測(cè)最常用的方法為渦流檢測(cè)方法,可以探測(cè)管材表面的裂紋、泄漏等缺陷。本文針對(duì)某核電站熱交換器鈦管的泄漏問(wèn)題利用渦流檢測(cè)方法對(duì)在役熱交換器鈦管進(jìn)行檢查,基于傳熱管的特殊工作條件及核電廠實(shí)際地理環(huán)境,對(duì)泄漏管進(jìn)行失效分析并提出解決措施。

1實(shí)驗(yàn)方法

1. 1鈦管工況

本文所檢測(cè)的鈦管是ta1級(jí)-鈦管,母材的化學(xué)成分、金相組織、顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、工藝性能、管子焊縫質(zhì)量等均滿足asme b338標(biāo)準(zhǔn)的要求.鈦管規(guī)格為:519105 mm@0171 mm(直徑@壁厚),管長(zhǎng)14630 mm.熱交換器外形尺寸約為2000 mm@14000 mm,內(nèi)部中間段為4932根傳熱管,兩頭長(zhǎng)約1000 mm的范圍為進(jìn)水腔和出水腔,海水從熱交換器的下方由水泵將海水注入頭部的腔內(nèi),然后流入傳熱管.傳熱管兩端與鈦覆蓋層碳鋼材料管板固定,采用脹接工藝進(jìn)行連接;中間由若干數(shù)量的支承板支撐.熱交換器入水腔內(nèi)壁上涂覆一層用于防腐蝕的橡膠.

1. 2渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)是基于電磁感應(yīng)原理的一種無(wú)損檢測(cè)方法,在傳熱管的檢測(cè)中已經(jīng)有長(zhǎng)期的應(yīng)用歷史.下文介紹了渦流檢測(cè)的原理、方法和應(yīng)用.在對(duì)上述熱交換器鈦管進(jìn)行渦流檢測(cè)時(shí),我們采用多頻渦流技術(shù),選擇了1個(gè)主檢測(cè)頻率f1和2個(gè)輔助檢測(cè)頻率f2、f3.其中f1的頻率最高,f2一般為f1的三分之一左右, f3則盡可能選取較低的頻率.其中f1和f2主要觀察差分通道, f3主要觀察絕對(duì)通道. f1的渦流信號(hào)是判定缺陷的主要依據(jù), f2用于和f1對(duì)比分析,便于剔除偽信號(hào),f3主要用于缺陷定位,同時(shí)可用于觀察鈦管是否存在長(zhǎng)而緩慢的減薄變化,因?yàn)榇祟惾毕菰诓罘滞ǖ郎蠋缀鯖](méi)有顯示.另外,對(duì)f1和f2進(jìn)行混頻計(jì)算,其結(jié)果為m1通道的信號(hào)顯示.混頻的目的是為了消除管外支撐板信號(hào)的影響,以便正確判定支撐板處及附近區(qū)域的缺陷.

通過(guò)先后對(duì)核電站中三臺(tái)熱交換器進(jìn)行渦流檢測(cè),(減薄量以百分比形式表示,減薄量大于40%認(rèn)定為超標(biāo)管): 3臺(tái)熱交換器的傳熱管發(fā)生減薄的情況較為嚴(yán)重.若以st表示檢驗(yàn)起始端(海水進(jìn)水側(cè)管板),en表示檢驗(yàn)結(jié)束端(海水出水側(cè)管板); 01、02,表示支撐板編號(hào),從海水入水側(cè)開(kāi)始編號(hào),共23個(gè)支撐。

進(jìn)水側(cè)缺陷發(fā)生的比例均超過(guò)60%,其中1#、3#熱交換器缺陷管較多,發(fā)生在進(jìn)水側(cè)的比例也明顯偏高,達(dá)80%,主要集中在進(jìn)水側(cè)管板與第一個(gè)支承板之間.

2分析與討論

經(jīng)過(guò)對(duì)失效傳熱管的化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)分析,鈦管所用原材料是符合標(biāo)準(zhǔn)的.這樣,純鈦在海水中所具有的優(yōu)良特性對(duì)該失效的鈦傳熱管來(lái)說(shuō)也應(yīng)全部具有.該熱交換器由國(guó)外公司制造,設(shè)計(jì)壽命為40年,已投入使用近10個(gè)月,而其累計(jì)使用時(shí)間只4個(gè)月左右即發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)數(shù)量的鈦管壁厚減薄、泄漏.

一般情況下,傳熱管在使用中可能會(huì)發(fā)生的失效形式有振動(dòng)斷裂、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、吸氫脆化、水滴侵蝕以及生物污染等[6],前四種失效形式主要發(fā)生于傳熱管與管板或支承板的連接處,本次分析樣品的缺陷除少數(shù)部位靠近支承板,其余缺陷均位于管板與支承板之間,該四種失效特征不明顯.失效鈦管的實(shí)際使用溫度在45e以下,殼側(cè)除鹽水流速僅110 m /s,也不具備水滴侵蝕所須的高溫蒸汽和高流速條件.現(xiàn)場(chǎng)檢查和試驗(yàn)室分析也未見(jiàn)明顯大面積的海洋生物聚集現(xiàn)象,生物污染破壞也不會(huì)成為失效的主要原因.

根據(jù)鈦管的失效形式,經(jīng)過(guò)推斷,熱交換器傳熱管失效是由于以下機(jī)理造成的: 1)異物堵塞.進(jìn)水管上大面積脫落的橡膠條和貝殼等異物堵塞了傳熱管,改變了傳熱管內(nèi)海水流動(dòng)的流場(chǎng),產(chǎn)生了沖刷磨損,導(dǎo)致鈦管快速減薄和破損.

2)沖刷腐蝕.海水流動(dòng)速度過(guò)快,且該附近水域泥砂含量大,產(chǎn)生磨粒磨損并加劇了鈦管沖刷腐蝕.

2. 1異物堵塞

根據(jù)該電廠工藝設(shè)計(jì),海水在熱交換器中的流動(dòng)速度較高,熱交換器管側(cè)和殼側(cè)水介質(zhì)的流速分別為217 m/s和110m/s;加上該電站附近海域海水泥砂含量大,含泥量2118~414kg/m3,以黏性細(xì)顆粒粉沙為主,粉沙主要為正長(zhǎng)石和石英,摩氏硬度分別為6和7級(jí)(hv930~1120),懸沙粒徑中值10~44lm,形態(tài)為多棱片狀,此數(shù)據(jù)超出該電廠原型設(shè)計(jì)理論值上限,海水水質(zhì)不同于標(biāo)準(zhǔn)海水.高速流動(dòng)的海水及其夾帶的泥砂沖刷入水腔內(nèi)壁防腐橡膠,磨損橡膠襯里的搭縫處.隨著時(shí)間的推移,搭縫逐漸撕裂,橡膠在水流漩渦和泥砂沖刷雙重作用下逐漸分層脫落.海水順著橡膠撕裂處沖刷橡膠層間或橡膠與管壁之間,逐步擴(kuò)大脫膠范圍.

從失效傳熱管的位置分布來(lái)看,管板上失效的鈦傳熱管口均有一定數(shù)量的防腐橡膠,在熱交換器檢查時(shí)也發(fā)現(xiàn)防腐橡膠有堵塞傳熱管的現(xiàn)象,說(shuō)明傳熱管失效與防腐橡膠的脫落阻塞是分不開(kāi)的;從渦流檢測(cè)結(jié)果、失效鈦傳熱管宏觀檢驗(yàn)、以及失效傳熱管的解剖檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,破口或壁厚減薄位置大多位于距入水口1000 mm的范圍內(nèi),僅有個(gè)別漏點(diǎn)距入水口較遠(yuǎn),分析認(rèn)定這一現(xiàn)象與防腐橡膠對(duì)傳熱管的堵塞位置有關(guān).

此外,在傳熱管內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了異物貝殼,經(jīng)研究,該類貝殼為軟貝殼,俗稱藤壺,其化學(xué)組成與常見(jiàn)的含p元素硬貝殼不同,易折彎變形,混進(jìn)海水中與泥砂成為堵塞異物.

由于熱交換器有較長(zhǎng)的時(shí)間處于停用狀態(tài),停用時(shí),其大多數(shù)處于有水狀態(tài),這樣,含泥量較高的海水很容易在管內(nèi)壁沉積泥砂,特別是在有防腐橡膠或貝殼存在的情況下,沉積的泥砂很容易和橡膠碎片集結(jié)成一體,形成阻塞,橡膠長(zhǎng)期駐留的地方,形成阻塞的幾率要高于無(wú)橡膠碎片的區(qū)域,越靠近管口,橡膠駐留的幾率越高,形成阻塞的幾率也就越高.

2.2沖刷腐蝕

即使流速高達(dá)20 m /s,鈦在海水中的腐蝕也可忽略不計(jì),但流動(dòng)海水中有砂粒時(shí),可使鈦的抗沖蝕磨損能力惡化.經(jīng)計(jì)算,高速海水流過(guò)閉塞處產(chǎn)生的剪應(yīng)力為非閉塞處的26倍,由于海水中夾帶的橡膠、貝殼和砂石等固體物堵于管內(nèi),在妨礙流動(dòng)的固體物前后產(chǎn)生較大的壓差,使狹窄的流道通過(guò)高速的海水,在固體異物周圍發(fā)生顯著的紊流.同時(shí)因海水夾帶泥砂的沖刷,破壞了管壁的保護(hù)膜,隨后在電化學(xué)作用下產(chǎn)生沖蝕磨損、磨蝕磨損以及磨粒磨損,于是在橡膠長(zhǎng)期駐留的地方產(chǎn)生管壁減薄或穿透.

接著可以看出破口處光滑細(xì)膩,具有沖刷特征,同時(shí)還可以看到破口處附著的泥砂類物質(zhì).對(duì)缺陷處切割取樣,清洗后置于掃描電鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)破口處呈現(xiàn)明顯的平滑柔和的水波紋、溝槽、顆粒狀異物以及"馬蹄狀"破口等,具有沖刷磨損和磨粒磨損特征.

3措施與效果

基于本次傳熱管的幾種典型失效形式,采取處理措施:

1.降低熱交換器海水流量與流速.多投入一臺(tái)熱交換器,在不降低海水總流量的前提下,有效降低單個(gè)傳熱管內(nèi)的海水流量;熱交換器海水側(cè)出口端加裝節(jié)流裝置,適當(dāng)降低熱交換器內(nèi)海水流速.

2.對(duì)脫落和有缺陷的橡膠襯里進(jìn)行了修復(fù)或重塑,避免橡膠脫落堵塞管道.

3.改造濾網(wǎng),避免貝殼、大顆粒泥砂等沖入鈦管內(nèi);定期清理濾網(wǎng)內(nèi)管道中的海生物和淤泥,減少異物進(jìn)入鈦管.

4.對(duì)管口壁厚減薄量[60% (未深及管板),且缺陷位置距管口300mm內(nèi),在傳熱管入口端加裝300mm長(zhǎng)的尼龍?zhí)坠鼙Ｗo(hù).

基于本次的檢查結(jié)果和上述解決措施,經(jīng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證,橡膠脫落得到了有效的控制,傳熱管的減薄或泄漏問(wèn)題也得到了順利解決.