摘要:利用渦流檢測技術,對某核電站泄漏的熱交換器用傳熱鈦管進行抽樣檢測;結合其工作環境,分析其失效形式.結果表明,熱交換器內壁防腐橡膠脫落導致異物堵塞和沖刷腐蝕是導致鈦管失效的主因;海水流速過高和附近海域泥砂含量過大是導致鈦管失效的根本原因.最后對該電廠鈦管的防護提出解決方案.

　　沿海地區的電廠熱交換器一般用海水作為冷卻劑.傳熱管中流動的冷卻海水可以帶走系統存在的熱量,在熱力循環中起到冷源的作用.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,同時具有抗高速海水的沖蝕磨損能力,鈦管在海水中具有優良的抗蝕性能,使用壽命長、安全、無泄漏,已逐步得到共識[1, 2].目前對鈦管的檢測最常用的方法為渦流檢測方法,可以探測管材表面的裂紋、泄漏等缺陷[3, 4].本文針對某核電站熱交換器鈦管的泄漏問題利用渦流檢測方法對在役熱交換器鈦管進行檢查,基于傳熱管的特殊工作條件及核電廠實際地理環境,對泄漏管進行失效分析并提出解決措施.

　　1實驗方法

　　1. 1鈦管工況

　　本文所檢測的鈦管是ta1級-鈦管,母材的化學成分、金相組織、顯微結構、力學性能、工藝性能、管子焊縫質量等均滿足asme b338標準的要求.鈦管規格為:519105 mm@0171 mm(直徑@壁厚),管長14630 mm.它在熱交換器中的工作原理如圖1所示.熱交換器外形尺寸約為2000 mm@14000 mm,內部中間段為4932根傳熱管,兩頭長約1000 mm的范圍為進水腔和出水腔,海水從熱交換器的下方由水泵將海水注入頭部的腔內,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,采用脹接工藝進行連接;中間由若干數量的支承板支撐.熱交換器入水腔內壁上涂覆一層用于防腐蝕的橡膠.

　　1. 2渦流檢測

　　渦流檢測是基于電磁感應原理的一種無損檢測方法,在傳熱管的檢測中已經有長期的應用歷史.文獻[7]介紹了渦流檢測的原理、方法和應用.在對上述熱交換器鈦管進行渦流檢測時,我們采用多頻渦流技術,選擇了1個主檢測頻率f1和2個輔助檢測頻率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主要觀察絕對通道. f1的渦流信號是判定缺陷的主要依據, f2用于和f1對比分析,便于剔除偽信號,f3主要用于缺陷定位,同時可用于觀察鈦管是否存在長而緩慢的減薄變化,因為此類缺陷在差分通道上幾乎沒有顯示.另外,對f1和f2進行混頻計算,其結果為m1通道的信號顯示.混頻的目的是為了消除管外支撐板信號的影響,以便正確判定支撐板處及附近區域的缺陷.

　　通過先后對核電站中三臺熱交換器進行渦流檢測,檢測結果匯總如表1所示(減薄量以百分比形式表示,減薄量大于40%認定為超標管): 3臺熱交換器的傳熱管發生減薄的情況較為嚴重.若以st表示檢驗起始端(海水進水側管板),en表示檢驗結束端(海水出水側管板); 01、02,表示支撐板編號,從海水入水側開始編號,共23個支撐.缺陷發生位置統計如表2所示.

　　由表2可見,進水側缺陷發生的比例均超過60%,其中1#、3#熱交換器缺陷管較多,發生在進水側的比例也明顯偏高,達80%,主要集中在進水側管板與第一個支承板之間.

　　2分析與討論

　　經過對失效傳熱管的化學成分和力學性能進行檢測分析,鈦管所用原材料是符合標準的.這樣,純鈦在海水中所具有的優良特性對該失效的鈦傳熱管來說也應全部具有.該熱交換器由國外公司制造,設計壽命為40年,已投入使用近10個月,而其累計使用時間只4個月左右即發現有相當數量的鈦管壁厚減薄、泄漏.

　　一般情況下,傳熱管在使用中可能會發生的失效形式有振動斷裂、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.失效鈦管的實際使用溫度在45e以下,殼側除鹽水流速僅110 m /s,也不具備水滴侵蝕所須的高溫蒸汽和高流速條件.現場檢查和試驗室分析也未見明顯大面積的海洋生物聚集現象,生物污染破壞也不會成為失效的主要原因.

　　根據鈦管的失效形式,經過推斷,熱交換器傳熱管失效是由于以下機理造成的: 1)異物堵塞.進水管上大面積脫落的橡膠條和貝殼等異物堵塞了傳熱管,改變了傳熱管內海水流動的流場,產生了沖刷磨損,導致鈦管快速減薄和破損. 2)沖刷腐蝕.海水流動速度過快,且該附近水域泥砂含量大,產生磨粒磨損并加劇了鈦管沖刷腐蝕.

　　2. 1異物堵塞

　　根據該電廠工藝設計,海水在熱交換器中的流動速度較高,熱交換器管側和殼側水介質的流速分別為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,以黏性細顆粒粉沙為主,粉沙主要為正長石和石英,摩氏硬度分別為6和7級(hv930~1120),懸沙粒徑中值10~44lm,形態為多棱片狀,此數據超出該電廠原型設計理論值上限,海水水質不同于標準海水.高速流動的海水及其夾帶的泥砂沖刷入水腔內壁防腐橡膠,磨損橡膠襯里的搭縫處.隨著時間的推移,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,逐步擴大脫膠范圍.

　　從失效傳熱管的位置分布來看,管板上失效的鈦傳熱管口均有一定數量的防腐橡膠,在熱交換器檢查時也發現防腐橡膠有堵塞傳熱管的現象(圖2),說明傳熱管失效與防腐橡膠的脫落阻塞是分不開的;從渦流檢測結果、失效鈦傳熱管宏觀檢驗、以及失效傳熱管的解剖檢驗結果來看,破口或壁厚減薄位置大多位于距入水口1000 mm的范圍內,僅有個別漏點距入水口較遠,分析認定這一現象與防腐橡膠對傳熱管的堵塞位置有關.

　　此外,在傳熱管內還發現了異物貝殼,經研究,該類貝殼為軟貝殼,俗稱藤壺,其化學組成與常見的含p元素硬貝殼不同,易折彎變形,混進海水中與泥砂成為堵塞異物.

　　由于熱交換器有較長的時間處于停用狀態,停用時,其大多數處于有水狀態,這樣,含泥量較高的海水很容易在管內壁沉積泥砂,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成一體,形成阻塞,橡膠長期駐留的地方,形成阻塞的幾率要高于無橡膠碎片的區域,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

　　據文獻[7],即使流速高達20 m /s,鈦在海水中的腐蝕也可忽略不計,但流動海水中有砂粒時,可使鈦的抗沖蝕磨損能力惡化[8].經計算,高速海水流過閉塞處產生的剪應力為非閉塞處的26倍[8],由于海水中夾帶的橡膠、貝殼和砂石等固體物堵于管內,在妨礙流動的固體物前后產生較大的壓差,使狹窄的流道通過高速的海水,在固體異物周圍發生顯著的紊流.同時因海水夾帶泥砂的沖刷,破壞了管壁的保護膜,隨后在電化學作用下產生沖蝕磨損、磨蝕磨損以及磨粒磨損,于是在橡膠長期駐留的地方產生管壁減薄或穿透.

　　圖3所示為缺陷內窺鏡檢查形貌,可以看出破口處光滑細膩,具有沖刷特征,同時還可以看到破口處附著的泥砂類物質.對缺陷處切割取樣,清洗后置于掃描電鏡下觀察,發現破口處呈現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(圖4).

　　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.多投入一臺熱交換器,在不降低海水總流量的前提下,有效降低單個傳熱管內的海水流量;熱交換器海水側出口端加裝節流裝置,適當降低熱交換器內海水流速.

　　2.對脫落和有缺陷的橡膠襯里進行了修復或重塑,避免橡膠脫落堵塞管道.

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

　　4.對管口壁厚減薄量[60% (未深及管板),且缺陷位置距管口300mm內,在傳熱管入口端加裝300mm長的尼龍套管保護.

　　基于本次的檢查結果和上述解決措施,經實際運行驗證,橡膠脫落得到了有效的控制,傳熱管的減薄或泄漏問題也得到了順利解決.

　　參考文獻:

　　[1]李景和.海水作為冷卻介質的汽輪機凝汽器泄漏原因及對策[j].東北電力技術, 2006, 27(3): 41.

　　[2]陳海峰.大型機組熱交換器用鈦管的質量控制[j].電站輔機, 2008, 106(3): 30.

　　[3]李志剛,汪德良,孫本達.薄壁鈦管的渦流檢測[j].無損檢測, 1995, 17(5): 132.

　　[4]李小亭,沈功田.壓力容器無損檢測-渦流檢測技術[j].無損檢測, 2004, 26(8): 411.

　　[5]徐可北,周俊華.渦流檢測[m].北京:機械工業出版社,2004. 81.

　　[6]余存燁.海水凝汽器傳熱管的選材與防護[j],腐蝕與防護,1997, 18(3): 12.

　　[7]孟祥軍,時錦.漫談鈦合金在艦船上的應用[ j].鈦工業進展, 2003, 20(4-5): 23.

　　[8]余存燁,楊杰.濱海石化廠使用鈦合金冷卻器技術經濟分析[j].石油化工腐蝕與防護, 2004, 21(2): 13.

　　本文作者：袁建中1,葉琛2,劉一舟2,楊敏1,未永飛2

　　作者簡介:袁建中(1974-),男,高級工程師,從事核電廠在役檢查工作.