海水循環水泵電機冷卻器設計與改造研究

馮海麗

（上海金石索泰機電設備有限公司，上海201406）

0 引言

某核電有限公司電站海水循環泵電機冷卻器存在失效情況，在經過對原空冷器的水壓試驗、實際查看后，原空冷器兩端水室結構存在缺陷：水室使用板材偏薄，且使用角鋼壓制結構，在運行壓力或內外環境溫度變化達到一定程度后，水室會出現脹縮現象，從而會導致密封面泄露（如圖1），不利于核電長期有效運行。為此，通過對海水循環水泵的空氣冷卻器滲漏原因進行分析了，設計了改造方案，使改造后的冷卻器能夠滿足循泵的運行要求。

圖1 空氣冷卻器滲漏點

1 空氣冷卻器滲漏原因分析

1.1 循環水泵電機空氣冷卻器基本結構

空氣冷卻器屬于“雙管程”換熱器，冷卻海水從下面的入水側水室進入入水側傳熱管，然后進入上水室，水流方向改變一次后，進入出水側傳熱管，再到下面的出水側水室。其中下面的水室通過水室隔板分成入水側水室和出水側水室，如圖2、圖3所示。

圖2 空氣冷卻器管板側結構示意圖

圖3 下面的水室通過水室隔板分成入水側水室和出水側水室圖

1.2 空氣冷卻器滲漏原因分析

通過對內窺鏡相片的分析可以看出（如圖4、圖5），冷卻器傳熱管內壁表面為馬蹄坑狀形貌，密集處為魚鱗坑狀形貌，坑內銅基體明亮光滑，此為典型的水流沖蝕（沖蝕是流體沖刷及沖擊引起的器械及化學作用的總稱，也稱侵蝕，英文 erosion-corrosion；流體平行金屬表面流動引起的破壞為沖刷腐蝕，由于紊流或與金屬表面成一定角度的沖撞作用而破壞的為沖擊腐蝕）作用形成蝕坑形貌。

圖4 傳熱管管口沖蝕形貌

圖5 傳熱管滲漏點附近形貌

傳熱管基體材料為白銅，即銅鎳合金（Cu-Ni），此傳熱管使用的為70/30銅鎳合金，管子內壁原涂有茶褐色致密亞鐵離子鈍化膜，該膜為國際上對銅合金做耐海水腐蝕通用處理方法，一般此膜為幾十個微米，致密，光滑，電阻率高，對耐海水腐蝕及電化學腐蝕有很好的效果，但是對沖蝕效果不明顯。

同時結合業主提供的設計資料，原冷卻器換熱管設計材料為白銅。空氣冷卻器發生海水滲漏的主要是由于換熱管被冷卻海水沖刷腐蝕所致，同時也存在以下幾個原因。

1）原冷卻器進水處沒有防沖擋板（如圖3），進水后直接沖刷管板及換熱管管口，容易產生泄露問題。

2）原冷卻器冷卻管材選用的是銅鎳合金（白銅）管在實際工況下不能有效抵御冷卻介質（海水，表1）的腐蝕，造成了水室內部的嚴重腐蝕。

表1 空氣冷卻器冷卻用海水水質

2 改造方案

以下對冷卻器的材質、結構等方面進行了改造，改用的空氣冷卻器總圖如圖6所示。

圖6 空氣冷卻器總體結構圖

2.1 改造步驟

2.1.1 空氣冷卻器材質選擇

（1）冷卻管、管板及水室材料

原空氣冷卻器換熱管襯管材料為銅鎳合金（白銅）管在實際工況下不能有效抵御冷卻介質（海水）的腐蝕，故只能選用比白銅管更耐腐蝕的管材作為換熱基管。本方案空氣冷卻器換熱管材料擬選用雙金屬軋制復合翅片管的基管為φ19×0.7 mm厚TA2鈦管。A2鈦材料具有極佳的防海水腐蝕性能[1]，這樣可以滿足業主對設備安全穩定可靠的運行最基本的要求。

（2）管板及冷卻介質直接接觸的其他部位材料

鈦合金具有極強的防海水腐蝕強度，同時具有較高的強度及良好的可焊性能[2]。另外鈦管與鈦管板可進行微脹與密封焊接，以確保鈦管與鈦管板連接接頭具有足夠的拉脫力和密封性能。所以考慮到原冷卻器曾發生管板、水室不同程度的腐蝕情況，故我們用管板及其他部位與冷卻介質有直接接觸的材料都選用TA2鈦板。

2.1.2 空氣冷卻器進出水口結構

設備安全可靠穩定的運行需要設備的材料的合理選擇，也需要結構的合理設計。

從原空氣冷卻器來看：原設備內冷卻介質直接沖擊管板以及管板與冷卻管結合口處，造成的對管板和管口端的沖刷腐蝕相當嚴重；而且各冷卻管管束內冷卻介質流速也相當不均勻，部分管內海水流速遠遠超過設計流速（1.5 m/s），這使冷卻管內壁受到嚴重的沖刷腐蝕，因此在冷卻器進出水口端，也就是前管箱進出水管口設置了擋沖板，如圖7所示。

圖7 水室及擋沖板示意圖

考慮到業主的實際供水工況，為防止管口堵塞，考慮了擋沖板為四向出水結構。這種結構可以減少冷卻介質對管板及冷卻管管口的直接沖擊力，又可以使冷卻介質通過冷卻管流量、速度分布均勻。這樣不僅提高了設備的使用壽命，又相應提高了換熱效率。

2.2 空氣冷卻器熱容改造

2.2.1 冷卻管改造

考慮到冷卻器結構尺寸不能變動的情況，項目組考慮在冷卻管換熱面積和換熱效率改造，所以項目組擬用鈦管+紫銅直翅片管作為冷卻器的新換熱管新型冷卻器換熱管同樣選用雙金屬翅片管，其基管為0.7 mm厚TA2鈦管，翅片為T4紫銅，冷卻管外徑為φ41 mm，片距為2.5 mm，每米管長翅片數為400片，翅片厚為0.3 mm，翅根直徑φ19.8 mm，翅片高為10.1 mm，見圖8。

圖8 金屬翅板

經計算，每米管長換熱面積約為0.857 m2。換熱管數為60根，有效長度為901 mm，總換熱面積約為46.33 m2。在不改變原有管板尺寸前提下，比原換熱面積（原換熱面積為35.6 m2）增大了30%多。同時新管采用了紫銅翅片代替了原來的鋁翅片，而紫銅的熱導效率要遠高于鋁的熱導效率新換熱管的熱導性能，通過驗證證實其熱導性能遠優于原換熱管（B30+鋁翅片管）。根據已有研究經驗表明材料由白銅更換為鈦管后，管壁的導熱性能下降十分有限[3]。

據報道較高的冷卻介質流速會對換熱接觸有不利影響（流速過高會使換熱效果變差）[4]，而且還會對冷卻管產生沖刷腐蝕。

2.2.2 空氣冷卻器換熱管容量改變

雙金屬軋制直列翅片管以其高效率換熱效率[5]，已在航空、石化、冶金、電力等眾多行業中廣泛應用。故本次改造將采用直列翅片的雙金屬管型。

原空氣冷卻器換熱管雖然也是采用雙金屬翅片管，但原冷卻管翅片為葉輪型排列，這樣的翅片排列雖然增加管內區域空氣流動的紊流，提高了雷偌數[6]。此次采用了直列翅片管來減小冷卻管對空氣流動的阻力。同時也對空氣冷卻器外風罩做了結構性改變，這樣減少了風道內的風壓損失，使空氣流通變的順暢，提高了密閉內循環系統的熱循環能力。

3 冷卻器改造與應用

項目改造完成后（圖9、圖10），經過實際工況測試，新空氣冷卻器換熱功率為47.5 kW，超過了原設計的34 kW，達到了比原冷卻器更好的換熱效果。此外，改造后的新冷卻器主體外型尺寸和連接尺寸與原尺寸基本保持不變。在冷卻器的強度設計中采用了抗震II級以上的結構和材料。

圖9 改造前循泵電機空冷器

圖10 改造后整機圖

4 結束語

經過重新選材，并對翅片管及水室結構的改進，改造后的新循泵空氣冷卻器和油冷卻器是安全可靠的，能夠滿足循泵的運行要求。