1000 MW核電汽輪機組凝汽器冷卻管漏水原因分析及設計改進

(福建福清核電有限公司,福建 福清 350318)

凝汽器是核電站及火電站中動力循環的冷端設備，在汽輪機低壓缸內膨脹做過功的蒸汽排至凝汽器中冷凝成水，乏汽凝結過程中放出汽化潛熱被循環冷卻水帶走，凝汽器是常規島重要輔助設備，其能否穩定運行將影響汽輪機組的出力及經濟性。

1 汽輪機組凝汽器冷卻管漏水情況簡介及排查

1.1 情況簡介

某核電站3號機組凝汽器在機組100%甩負荷后發生海水泄漏進汽側空間，凝結水的品質嚴重超標，機組被迫停機。3號機組凝汽器冷卻管出現泄漏后，電站工作人員及時停機并對凝汽器汽側進行灌水檢查，經檢查發現冷卻水管多處存在漏點，具體泄漏情況如圖1[1]所示。

圖1 凝汽器冷卻管漏水示意圖Fig.1 Leakage ofthe condenser cooling tube

1.2 原因排查

某核電站3號機組凝汽器冷卻管泄漏發生后，制造廠與某核電站技術人員一起成立了專項小組，從材料、制造、設計及現場運行方面對事故進行了原因分析，對可能導致冷卻管泄漏的各種原因進行一一排查。

1.2.1 冷卻管材質、脹管及運行情況檢查

專項小組對冷卻管取樣進行化學成分分析及機械性能檢查，冷卻管化學成分及機械性能符合要求；專項小組檢查了凝汽器端管板冷卻管脹管及焊接記錄，冷卻管的脹接深度及脹管率符合規范要求[2]，現場對凝汽器端管板冷卻管的焊口重新地進行了抽樣PT檢查，管口焊接未見明顯缺陷；對運行情況進行了核查，未發現有違規操作和超參數運行的情況，排除了超參數運行導致的泄漏。

1.2.2 對凝汽器汽側空間檢查

專項小組進入凝汽器汽側空間對3號機組凝汽器鈦管進行了詳細檢查，檢查發現凝汽器殼體模塊一、四頂排共有多根鈦管存在相互碰磨現象[1]，該電站中另外一臺4號汽輪機組在停機大修期間檢查存在同樣問題，且兩臺機組凝汽器冷卻管碰磨位置、碰磨程度基本相同，即機組在100%甩負荷后凝汽器殼體模塊一、四頂排及汽道迎流面冷卻管發生碰磨損壞，具體發生碰磨位置如圖2所示。

圖2 凝汽器殼體模塊一、四冷卻管泄漏示意圖Fig.2 Cooling tube leakage of the condenser module one and four

1.2.3 對凝汽器設計圖紙的校核

制造廠檢查了凝汽器設計及制造情況，某核電站凝汽器冷卻管固有頻率、最長跨距以及旁路擴散裝置設計出口參數校核計算結果等符合制造廠家的設計規范要求，凝汽器制造滿足制造廠家的規范要求，但制造廠家的設計規范與其技術支持方(ALSTOM)的規范存在差異。

2 冷卻管泄漏原因分析

經過上述一系列的檢查及原因排查，可以排除冷卻管質量原因、運行操作方面的原因、管口焊接原因導致的泄漏。冷卻管的泄漏可能與凝汽器的設計有關，將泄漏冷卻管送至第三方(中航工業失效研究中心)進行實驗分析[3]，實驗結論為：“冷卻管材料符合要求，裂口為疲勞裂紋，裂紋起于冷卻管內表面、起源位置在焊縫處，裂紋的產生與振幅過大導致的變曲應力過大有關?！?/p>

從第三方實驗分析結論可以判斷冷卻管是因為振動發生的碰磨導致管子泄漏，能夠造成冷卻管振動過大的原因主要有兩方面[4]。一方面是汽輪機的轉速與冷卻管的固有頻率接近或相同所產生的共振;另一方面原因是汽流沖擊造成的激振。由于凝汽器內汽流流動錯綜復雜，使得汽流沖擊激振更難控制，破壞性更強。

從該電站3號機組及4號機組凝汽器冷卻管泄漏均發生在甩負荷旁路投用后，因此旁路裝置的投用是凝汽器冷卻管泄漏的直接原因，根本原因是凝汽器冷卻管在汽輪機旁路裝置的投用后，高速汽流對凝汽器冷卻管造成的激振而導致的冷卻管損壞，具體分析如下。

2.1 旁路裝置投用對凝汽器冷卻管的影響

查看旁排擴散裝置布置圖，分析蒸汽的流向，可以發現旁路蒸汽水平流出旁路擴散裝置，模塊一、四受到的沖擊最為嚴重。這種布置結構理論上可以解釋模塊一、四存在碰磨,而模塊二、三未發現碰磨的現象。旁路擴散器的布置及蒸汽流向如圖3所示。

圖3 旁路裝置投用后凝汽器內汽流流動示意圖Fig.3 The steam flow in the condenser when the bypass equipment is put into use

2.2 汽流激振對冷卻管的影響

旁路擴散裝置投用對凝汽器冷卻管確實會造成沖擊，但并不是凝汽器冷卻管產生裂紋的根本原因，最多只是一個誘發因素。每臺汽輪機組均有旁路擴散裝置，汽輪機理論上說應在各種工況下均可可靠運行(包括甩負荷工況)，該核電站出現的汽輪機甩負荷后凝汽器冷卻管泄漏事故，嚴重影響機組的安全運行，有必要進行優化改進。

經廠家技術人員校核，凝汽器冷卻管固有頻率、最長跨距以及旁路擴散裝置設計出口參數等計算結果符合制造廠家的設計規范要求，說明完全可以排除冷卻管固有頻率與汽輪機工作頻率耦合產生的共振對冷卻管造成的破壞。造成凝汽器冷卻管泄漏的根本原因主要是汽流激振對冷卻管產生的沖擊。

大型核電汽輪機組凝汽器喉部蒸汽的平均速度可達100 m/s以上，這種高速汽流使得冷卻管受到很大沖擊，極易引起冷卻管的彈性變形，當該變形達到一定的幅度時，就將引起冷卻管的振動。汽流激振造成的冷卻管振動的基本氣動力學現象，至今未能徹底弄清[5]。高速汽流激起的冷卻管振動可能發生嚴重的損壞，這是一種由氣流拖拽作用所致的、在自身固有頻率下的振動，振幅隨汽流速度的提高而增大[5]。對于汽流激振造成的冷卻管損壞可以通過改變中間隔板的數量，改變冷卻管自身的振動屬性來避免，在后續同類型機組凝汽器的設計時應對冷卻管的中間隔板間距進行設計優化。

2.3 對凝汽器汽流流場分析

制造廠的專業技術人員對該電站凝汽器流場[6]進行分析，發現凝汽器殼體模塊管束頂部工字鋼下方存在局部渦流區，而這一區域正是冷卻管發生碰磨區域，說明凝汽器汽流流場分布存在渦流區也是冷卻管發生碰磨而導致泄漏的原因之一。

3 汽輪機組凝汽器冷卻管漏水處理方案

為了解決凝汽器冷卻管泄漏問題，避免后續運行中冷卻管再次發生泄漏，采取了如下處理方案：

1)對于凝汽器殼體模塊的上部冷卻管，人員可以進入到汽側空間進行作業的位置，在冷卻管間安裝防磨條(橡膠條)，防磨條中以起到減振及緩沖作用，可避免冷卻管間發生碰磨，同時增加防磨條后還可以改變凝汽器冷卻管的振動特性。因凝汽器冷卻管碰磨發生在殼體模塊一、四中，決定在凝汽器模板一、四的每個管束的上部管指頂部安裝多層防磨條。安裝示意圖如圖4所示。

圖4 模塊一、四冷卻管防磨條安裝示意圖Fig.4 Installation of the prevention rubber of condenser module one and four

2)對于凝汽器殼體模塊二、三，因實際運行中并未出現碰磨，作為預防僅僅在每個管束的上部管指頂部僅安裝2層防磨條，安裝示意圖如圖5所示。

3)對于凝汽器模塊一、四的汽道2a、2b迎流面底部，因人員無法進入安裝防磨條，采用局部堵管方案，模塊二、三不堵管，堵管總數為280根。堵管示意圖(圖中紅色部分冷卻管作堵管處理)如圖6所示。

圖6 凝汽器殼體模塊一、四冷卻管堵管示意圖Fig.6 The plugging tube of the condensermodule one and four

4 設計改進

采取上述處理方案后，某核電站在后續運行期間，未發生凝汽器冷卻管大面積泄漏，實踐證明采取上述處理方案確實解決了凝汽器冷卻管泄漏問題。但采取上述方案后，仍存在兩個缺點：一是防磨條因是橡膠材料存在老化失效問題，因此每隔3～5年需更換一次防磨條；另一個缺點是局部堵管后，有效的冷卻管數量將減少，雖然堵管后經計算仍能滿足汽輪機滿負荷工況的冷卻要求，但冷卻管的設計余量減少了，若后續運行中再發生冷卻管泄漏，當堵管率超過設計余量后，將不得不進行換管或機組整體降負荷運行，影響電站的經濟性。對于制造完成的凝汽器設備也只能采取上述處理方案，是不得已而為之。但對于處于設計階段的項目來說完全可以通過設計優化改進來消除冷卻管泄漏。

考慮到福清二期工程凝汽器還處于設計階段，因此要求廠家分析某電站汽輪機組凝汽器冷卻管泄漏根本原因，并從設計方面進行改進，防止福清二期工程凝汽器冷卻管出現大面積泄漏。廠家對福清二期工程凝汽器主要進行了以下設計改進[7]。

4.1 增加中間隔板數量，改變冷卻管自身的振動特性

在同樣的條件下，增加中間隔板的數量可以改變冷卻管自身的振動屬性，改變冷卻管的抗汽流激振能力；還可增大對冷卻管的約束力，降低冷卻管的振幅，可以更有效地避免冷卻管的振動破壞。改進前后凝汽器冷卻管的振動特性分析如下：

依據Sebald J.F.理論，冷卻管的最大撓度保持在冷卻管排列孔橋b值(某核電站二期工程冷卻管排列孔橋b=10 mm)1/4以內，可預防冷卻管的振動，撓度越小抗擊汽流激振的能力越強。流場內的冷卻管在汽流負荷作用下，產生的撓度可以用公式(1)表示：

Y=5WL4/(384EI)

(1)

式中,Y為冷卻管撓度；W為單位冷卻管長度的汽流負荷；L為隔板間距；E為冷卻管材料彈性模量；I為冷卻管截面的慣性矩。

經查某核電站3號機組凝汽器圖紙，凝汽器殼體模塊中間隔板的數量為22件，中間跨距為707 mm。經查福清二期工程凝汽器設計圖紙，凝汽器殼體模塊的中間隔板數量設計為25件，中間跨距為626 mm。

設計改進前某核電站凝汽器冷卻管在汽流負荷作用下的撓度計算：

Y=5W×0.7074/(384EI)

(2)

設計改進后福清二期工程凝汽器冷卻管在汽流負荷作用下的撓度計算：

Y改=5W×0.6264/(384EI)

(3)

改進前后，汽輪機的排汽量不變，冷卻管的材質、規格及長度也不變，所以式(2)及式(3)中的W、E、I參數相同，將式(3)與式(2)相除,即Y改/Y=0.6264/0.7074=0.615，即改進后冷卻管在汽流負荷作用下的撓度值為改進前的0.615倍，改進后冷卻管的撓度較小，抗汽流激振的能力將增強，可有效防范汽流激振造成的冷卻管損壞。

4.2 設置不銹鋼假管

對管束中氣流激振較為危險的區域，特別是管束的頂層冷卻管上方，冷卻管迎流面處均設置不銹鋼假管，保證氣流流動時首先沖擊到不銹鋼假管，從而對冷卻管起到保護作用，避免冷卻管直接受到氣流的沖擊，降低冷卻管的損壞可能。

4.3 增加厚壁管的數量

對管束中氣流激振較為危險的區域，除了設置不銹鋼假管外，另外在這些區域的冷卻管還設計為厚壁管，以增加抗氣流沖擊的能力。

經查某電站凝汽器數據表，厚壁管使用數量為4 496根，經查福清核電站二期工程凝汽器數據表，福清核電站二期工程厚壁管使用數量為5 208根。福清核電站二期工程凝汽器中厚壁冷卻管的數量較某電站增加了712根，保證氣流激振較為危險的區域(特別是圖6中汽道2a及2b迎流面)均采用厚壁冷卻管。

4.4 設置導流板

在殼體模塊管束頂部工字鋼下方存在局部渦流區的部位設置導流板，避免汽流直接沖擊冷卻管，對冷卻管起到保護作用。

4.5 縮小中間隔板管孔直徑

某核電站凝汽中間隔板孔直徑設計為25.5 mm，福清二期工程凝汽器中間管板孔直徑設計為25.2 mm，縮小中間隔板孔直徑可以增加管板對冷卻管的束縛作用，有效降低冷卻管振動時的振幅，避免冷卻管發生碰磨，進而降低冷卻管發生損壞的幾率。

5 結束語

凝汽器是汽輪機的重要輔助設備，其能否穩定可靠運行對整個汽輪機組的經濟性產生重要影響，而凝汽器冷卻管的泄漏是凝汽器不可用的最主要原因之一。通過對某核電站凝汽器冷卻管泄漏原因進行深入研究分析，總結出凝汽器冷卻大面積泄漏的根本原因是汽流激振造成的。

在總結某核電站凝汽器冷卻管大面積泄漏的經驗反饋后，對福清二期工程凝汽器的設計進行了改進，主要改進有增加中間隔板數量，改變冷卻管振動特性、在汽道迎流面設置不銹鋼假管、增加厚壁管數量、設置導流板、減小中間管板孔徑，相信通過這些改進措施的實施，福清二期工程凝汽器不會出現大面積冷卻管泄漏。