某電廠工業冷卻水熱交換器傳熱管缺陷的成因分析

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(國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233)

圖1 工業冷卻水熱交換器結構圖

某電廠機組的兩臺工業冷卻水熱交換器(分別為1#和2#)中，每臺交換器有2 088根傳熱管。傳熱管材料產品標準為ASTM B338-09 《熱交換器和冷凝器用無縫及焊接鈦與鈦合金》，材料為鈦GR.2，尺寸(外徑×壁厚)為φ25 mm×0.5 mm，鈦管長度為8 000 mm，其結構如圖1所示。該容器傳熱管內部介質為海水，外部介質為除鹽水。其最外面一圈為折流圈，中間支撐傳熱管的為折流桿(直徑4～5 mm)，折流桿有橫有豎，間隔布置[1]。某次大修期間，對這兩臺熱交換器傳熱管進行了100%渦流檢測，其間發現多處缺陷。筆者主要針對發現的缺陷進行信號分析，以推斷缺陷產生的原因。

1 檢測設備及結果

圖2 檢測用渦流儀及探頭實物圖片

檢測采用EEC-2018net型多頻渦流探傷儀，探頭線圈直徑為23 mm，渦流儀及探頭實物圖片如圖2所示。檢測使用的頻率分別為833,400,200,100 kHz，其中833 kHz為主要檢測頻率，其余為輔助頻率。制作對比樣管使用的傳熱管與設備上使用的傳熱管的規格、材料和出廠批次相同，制作的人工傷的分布示意如圖3所示。

1.1 1#工業冷卻水熱交換器的檢測結果

對1#工業冷卻水熱交換器進行渦流檢測，在出水側進行檢測，定義進水側管板為起始管板(ST)，出水側管板為結束管板(EN)，靠近起始管板(ST)的折流圈編號為01，依次類推，靠近結束管板(EN)的折流圈編號為44；減薄量≥40%(相對于壁厚，下同)的管：洋紅色表示，減薄量<20%的管：藍色表示，凹坑管：青色表示，堵管：黑色表示；傳熱管編號規則為：從上至下行號依次增大，從左至右列號依次增大。

檢測后共發現缺陷管13根，結果詳見表1。表1中OD表示外傷，指外壁金屬流失造成的缺陷；DNT表示凹坑，指外壁向內凹陷形成的缺陷。

圖3 對比樣管人工傷的分布示意

序號行號列號幅值相位類型傷深位置10100041.398.4OD551820150070.8101.9OD511830160070.771.5OD821840170080.7104.9OD471850180080.4100.8OD<201860190091.093.5OD6118702602625.3185.5DNTN/A01-028027003161.8185DNTN/A44-EN902705039.6184.7DNTN/A44-EN1002705230.2185.8DNTN/A44-EN110370130.452.7OD<2018120410110.346.6OD<2018130440090.450.8OD<2018

通過數據管理軟件繪制缺陷在管板上的位置，得到了缺陷管在管板圖中的分布情況(見圖4)，典型外傷缺陷信號如圖5所示。

缺陷在熱交換器傳熱管軸向方向的位置示意如圖6所示。

圖4 1#工業冷卻水熱交換器缺陷管在管板圖上的位置示意

圖5 1#工業冷卻水熱交換器的典型外傷缺陷信號

圖6 1#熱交換器傳熱管缺陷軸向位置示意

1.2 2#工業冷卻水熱交換器檢測結果

2#工業冷卻水熱交換器渦流檢測后，共發現缺陷管10根，結果詳見表2，表中OD,DNT等符號意義同表1。

表2 2#工業冷卻水熱交換器渦流檢測結果匯總

通過數據管理軟件繪制缺陷在管板上的位置，缺陷管在管板圖中的分布情況如圖7所示。

圖7 2#工業冷卻水熱交換器缺陷管在管板圖上的位置示意

同樣，缺陷在傳熱管上的軸向位置如圖8所示。

圖8 2#熱交換器傳熱管缺陷軸向位置示意

2 試驗分析與結果

為進一步發現缺陷類型與產生位置之間的規律，對以上不同缺陷的位置及類型進行了統計分析，結果如圖9,10所示。

圖9 外傷位置及數量統計圖

圖10 凹坑位置及數量統計圖

2.1 規律分析

綜合表1和表2，以及圖4,7,9,10，可以發現如下規律：

(1) 所有缺陷均為外壁缺陷；

(2) 1#工業冷卻水熱交換器共有9根外傷缺陷管，外傷在管板圖上的分布非常有規律，管號為(010,004)、(015,007)、(016,007)、(017,008)、(018,008)、(019,009)的管均位于同一列，管號(037,013)、(041,011)、(044,009)的管也位于同一列，且這9根傳熱管的缺陷軸向位置均位于18折流圈處；

(3) 2#工業冷卻水熱交換器共有4根外傷缺陷管，數量較少，其中管號為(017,024)、(010,027)的管位于同一列，管號為(036,001)、(040,001)的管則是各自行的第1根，且(017,024)、(010,027)這2根傳熱管的缺陷軸向位置均位于25折流圈處，(036,001)、(040,001)這2根傳熱管的缺陷軸向位置均位于37折流圈處；

(4) 從進水側到出水側，外傷數量遞減，凹坑則多集中在出水側44折流圈及44折流圈與出水側管板之間。

綜上可得出結論，所有缺陷均為外壁缺陷，且主要類型為外傷。這些外傷均位于折流桿處，且在管板圖及傳熱管軸向方向上的位置分布均有很強的規律性。

2.2 缺陷成因分析

由于缺陷的主要類型為外傷，而外傷的形成原因較多，包括支撐磨損、點蝕、汽蝕以及外物砸傷等[2]。該檢測案例中，外傷均位于折流桿處而非自由端處，故可排除外物砸傷的可能；該容器傳熱管外壁介質為除鹽水而非蒸汽，故可排除汽蝕的可能；該容器傳熱管材料為鈦合金，耐腐蝕性能較好，且外壁介質為除鹽水，不具備形成點蝕的條件，故可排除點蝕的可能。故該容器的外傷應為支撐(即折流桿)磨損所致，且缺陷位置的規律分布也證實了這一結論。

支撐磨損主要是由設備運行過程中的振動引起支撐與傳熱管外壁間的摩擦而造成的。該案例中外傷數量從進水側至出水側逐步減少，是因為從進水側至出水側，傳熱管外壁介質流速逐漸降低，流速引起的振動逐漸減弱。

3 結論及推論

綜上，折流桿的振動磨損為工業冷卻水熱交換器傳熱管缺陷形成的主要原因。

明確缺陷的主要成因，為缺陷定量方法提供了主要依據，但該次渦流檢測對此類磨損信號的定量方法采用的是“相位-傷深”法，而并未采用磨損信號常用的“幅值-傷深”法[3]，這主要是因為該容器支撐傳熱管的為折流桿(固定在折流圈上)，該折流桿的直徑較小(約4～5 mm)，且折流桿有橫有豎，間隔布置(見圖11)，可以看出折流桿與傳熱管之間的接觸面積較小，故產生的渦流信號幅值也非常小(見圖12)，其產生的磨損更接近于點狀缺陷，因此筆者認為采用“相位-傷深”法更為合適。

圖11 折流桿布置圖

圖12 折流桿渦流檢測信號

4 結語

檢測后，對傷深超過40%的傳熱管和所有的凹坑管進行了堵管處理，設備投運后工況良好。在現場實際檢測過程中，對發現的問題使用統計分析方法有利于尋找問題產生的原因，從而提高對檢測對象的認知，為探索更為合理的檢測方法或方案提供實際依據。

后續工作中如對此類容器進行渦流檢測時，應著重關注支撐區域，且應根據支撐的結構形式確定較為準確的定量方法，必要時還需提前制作更為接近實際情況的對比樣管，合理設計樣管人工傷，通過試驗驗證檢測規程及數據分析方法的有效性，以提高檢測結果的科學性和準確性。