冷凝器換熱管泄漏事件分析

劉影恬　袁勝濤　陳光　許叢

摘 要：某電廠突發(fā)冷凝器鈦管泄漏事件，通過覆膜查漏、渦流檢測、內(nèi)窺鏡檢查等一系列手段找到漏點。數(shù)年前國內(nèi)另一電廠已發(fā)生類似事件，分析為流體彈性不穩(wěn)定引起的管束振動，長期振動造成疲勞，甚至鈦管間相互發(fā)生碰磨，最終導致斷裂。為減少該類事件的發(fā)生，電廠已采取了一系列的防范措施。

關(guān)鍵詞：冷凝器鈦管 泄漏 渦流檢測 流體彈性不穩(wěn)定震動 防范措施

中圖分類號：X933.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（c）-0101-02

Abstract：A sudden leakage of condenser titanium tube happened in a power plant. Leak source was found by a series of testing such as film， eddy current testing and endoscope. A few years ago there had been a similar event in another power plant. In its report， tube vibration caused by the fluid elastic instability. Long-term vibration causes fatigue， even mutual rubbing between titanium tubes， and finally leading to fracture. In order to reduce the occurrence of this event， the power plant had taken a series of precautions.

Key Words：Condenser titanium tubes； Leakage； Eddy current testing； Fluid elastic instability vibration； Preventive measures

1 事件背景

2017年4月27日凌晨1點，國內(nèi)某電廠在GSY系統(tǒng)檢修結(jié)束后1號機組重新上行，二回路水質(zhì)突然急劇惡化至5區(qū)，機組被迫后撤，監(jiān)測顯示冷凝器A1水室存在海水泄漏。在整體氦查漏并未發(fā)現(xiàn)異常的情況下，4月29日對A1及A3水室進行了覆膜查漏，發(fā)現(xiàn)A1水室3根疑似泄漏的鈦管。隨后對這三根泄漏鈦管密封焊處進行PT 檢測，未見異常，確認泄漏點不在管板密封焊處。

2 鈦管渦流檢測及內(nèi)窺鏡檢查

冷凝器作為電站的冷源，其安全性備受重視，各電廠冷凝器在役期間普遍采用了內(nèi)穿渦流法跟蹤檢測鈦管[1]。渦流檢測對導電材料表面或近表面缺陷的檢測靈敏度較高，在一定條件下，能反映有關(guān)裂紋深度的信息，可在高溫、薄壁管、細線、零件內(nèi)孔表面等其他檢測方法不適用的場合實施檢測[2]。

5月2日，完成了對4個水室漏管懷疑處、共計491根冷凝器鈦管的渦流檢測，其中包括覆膜查漏發(fā)現(xiàn)的A1水室3根疑似泄漏鈦管。現(xiàn)場檢測所用的標定管上有一Φ1.5mm的通孔，并將通孔處的差分通道信號幅值設定為8V，相位為40°。該檢測系統(tǒng)中絕對通道用于大范圍漸變?nèi)毕莸臋z測，差分通道用于管束軸向方向上突變性缺陷的檢測，混頻通道用于支撐板信號的抑制，以顯示支撐板下或者附近的較小缺陷[3]。渦流結(jié)果顯示，A1水室的R038C054鈦管在距離進水端第8個與第9個支撐板之間的自由段處發(fā)現(xiàn)一個明顯的傷信號，差分通道的李薩如圖相位是39°（如圖1），通過相位-傷深曲線判定其傷深為98%，可認定是鈦管的漏點。此外，鈦管R064C066、R056C058也均在自由段發(fā)現(xiàn)明顯的傷信號，與覆膜查漏的結(jié)果相符。A1水室還發(fā)現(xiàn)10根鈦管中共21處磨損信號，與前一次大修期間所做的冷凝器渦流檢測結(jié)果相比，均屬于新增磨損管。

之后，對3根疑似泄漏鈦管在渦流信號異常處做了內(nèi)窺鏡檢查。可見鈦管內(nèi)管壁干凈平整，未見明顯的腐蝕跡象，可以排除海水腐蝕的影響；缺陷部位無明顯凹陷及突變，不符合落物砸傷形成的痕跡特征。

大修期間電廠將三根傷管拔出。拔出的鈦管在上述渦流信號異常處已經(jīng)斷開，除裂紋之外管壁還有明顯的磨痕（見圖2），由此也驗證了渦流檢測判傷定位的準確性。開裂鈦管的裂紋均分布在距離出水側(cè)支撐板磨痕365-385mm之間，兩支撐板間距離約為707mm，裂紋在兩支撐板中點附近位置。鈦管外表面碰磨嚴重部位均位于支撐板兩跨中間位置，通過掃描電鏡對鈦管碰磨處外表面觀察可以看出，碰磨痕跡形貌相似，均為徑向磨痕。部分鈦管磨損部位表面有發(fā)藍現(xiàn)象，表明鈦管之間可能發(fā)生過高速碰撞或摩擦。

3 類似案例

在2012年底的一份內(nèi)部報告顯示，國內(nèi)另一電廠也發(fā)生過冷凝器鈦管斷裂的相似案例，兩個電廠的冷凝器是同一廠家制造，除鈦管直徑外，其余管束參數(shù)及設計結(jié)構(gòu)均一致，具有重大的參考意義。該報告對于事件原因的分析首先否認了落物砸傷、材料腐蝕、鈦管材質(zhì)不合格、制造與安裝不符合設計要求等幾個方面的因素。泄漏事故發(fā)生后拔出斷管檢查發(fā)現(xiàn)，在第10個與第11個支撐板之間有一處斷口和一處裂紋，第11個與第12個支撐板之間有兩處裂紋，并在第7～12塊支撐板兩兩之間的鈦管表面均存在磨痕，并且磨損程度向兩端逐漸減輕。

分析斷口后發(fā)現(xiàn)，鈦管裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋；裂紋起源于鈦管外表面，起源位置應是在焊縫處（見圖3）；裂紋的產(chǎn)生主要與鈦管振幅過大（導致互磨），并由此產(chǎn)生較大的彎曲應力有關(guān)。

從經(jīng)驗看，因冷凝器冷卻模塊設計參數(shù)選取不當導致管束振動主要可表現(xiàn)為兩種形式，一是與汽輪機組的共振，二是管束的流體彈性不穩(wěn)定振動。從計算結(jié)果看，管束固有頻率，與汽輪機組工作頻率相距較遠，共振可能性不大。而如果管束模塊參數(shù)選取不當，會導致流速（或局部流速）接近流體臨界流速；同時，在與國內(nèi)外同行專家溝通時了解到，設計中使用的蒸汽流速通常選用蒸汽在冷凝器模塊中流過時的平均流速，不是真正的最高流速，因此局部實際流速可能會遠高于平均流速。這時，流體彈性不穩(wěn)定將引起管束振動。流體彈性不穩(wěn)定振動呈多方向的旋轉(zhuǎn)型，長期振動造成疲勞，甚至鈦管間相互發(fā)生碰磨，以致斷裂。另外，在機組調(diào)試啟動初期多次甩負荷對冷凝器產(chǎn)生較大沖擊（設計上理應能夠承受），在客觀上加深了問題的程度。

綜上所述，2017年冷凝器泄漏事件的根本原因是其設計裕度不足，單列運行時低壓缸排氣氣流速度接近冷凝器鈦管激振臨界流速，且高壓給水加熱器應急疏水閥頻繁開關(guān)期間，冷凝器真空存在劇烈波動，更進一步加劇了鈦管的激振，進而引起鈦管斷裂及泄漏。

4 糾正措施

從設計上而言，兩個支撐板之間的跨距的4次方與振幅成正比，所以應在以后的設計中增加支撐板數(shù)量，即減小跨距以減小振幅，并將受蒸汽沖擊最大的表層管改成實心鋼管。

對于已經(jīng)投用的冷凝器，短期內(nèi)為了控制事故后果，可選擇在高斷管風險區(qū)域?qū)嵤╊A防性堵管和更換假管。堵管后，即使斷管也不會導致海水進入二回路，不會影響機組運行；另外還可以在鈦管間插入防振條，可以有效減緩鈦管的振動，避免碰磨。所謂防振條，是一種高分子材料制成的管子，預先抽成真空并封閉。當管子在鈦管間安放就位后，割開管子，使其充進空氣，管子膨脹便充滿了鈦管間的空隙，以達到減振效果。

長期措施可以推進安裝導流柵的工作。導流柵就是在整個模塊上部，安裝導流用的柵格板，以改變流態(tài)分布，降低實際蒸汽流速。這項工作實施后，應該可從根本上解決鈦管振動問題。

參考文獻

[1] 陶于春，梁鵬飛，周宇，等.渦流檢測冷凝器薄壁鈦管管壁凹陷程度的評估方法[J].無損檢測，2016，38（5）：38-40.

[2] 何春艷，張嫦娟，馮輝，等.鈦管生產(chǎn)用可靠性檢驗方法初探[J].理化檢驗-物理分冊，2015，5（3）：181-183.

[3] 魏培生，趙久國，朱省初.碳鋼管束遠場渦流檢測缺陷識別與判定[J].無損探傷，2011，35（5）：22-24.