脹接口失效分析及保證運行空冷器的更換方案

釗新維　裴海林　羅光輝　汪俊波

【摘 要】在某水電站檢查過程中發(fā)現(xiàn)空冷器出現(xiàn)漏水的情況，對空冷器運行故障進行排查，發(fā)現(xiàn)空冷器故障原因為脹接口位置管壁減薄。為保障電站的運行安全，需要一段時間對空冷器的部件進行更換，并且在停運時間內制定了特訓制度等相關運行策略。如何確定更換冷卻管的材質、壁厚以及脹接工藝等成為更換方案制定過程中的困難因素。對此狀況針對性地提出了一套更換方案：采用不銹鋼冷卻管脹焊工藝，增加管道壁厚。該方案的實施對確保大型水電站空冷器安全穩(wěn)定的運行具有重要意義。

【關鍵詞】空冷器;脹接口;漏水;更換方案

中圖分類號： TQ051.5;TQ221.2 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）17-0030-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.013

The Failure Analysis of Expanding Interface and the Replacing Scheme of

Air Cooler to Guaranteed Operation Program

ZHAO Xin-wei1 PEI Hai-lin2 LUO Guang-hui2 WANG Jun-bo2

（1.XIAN Thermal Power Research Institute Co. Ltd， Xian Shaaxi 710000 China;

2.Nuozhadu hydraulic power plant of the Huaneng Lancang River Hydropower Company，Yunnan Puer 665005 China）

【Abstract】During the inspection of a hydropower station， the water leakage of air cooler was founded. After the investigation found that the reason of this fault of air cooler is the thinning shell of pipe of expanding interface. To ensure the safety of power station operation，it must take some time to take the place of the parts of air cooler. In addition， and other relevant operation strategies like the special training system were formulated during decommissioning. It is hard to deside how to determine the replacement of the cooling pipe material， thickness and expansion process.

In view of this situation， put forward a replacement plan： Using expansion welding process for

stainless steel as cooling tube and increase the thickness of pipe wall. The implementation of the scheme is significance to ensure the safety and stability of air coolers in large hydropower station.

【Key words】Air cooler; Expanding interface; Water leakage; Replacement plan

0 引言

換熱器（heat exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器在化工、石油、動力、食品及其他許多工業(yè)生產中占有重要地位，其在化工生產中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應用廣泛[1]。

水電站使用的冷卻器主要部件是發(fā)電機推理軸承、發(fā)電機定子冷卻器、發(fā)電機上導軸承，發(fā)電機下導軸承，水輪機水導軸承。通過在管程中運行冷卻介質（如水），在殼程中運行被冷卻介質如（空氣/油），達到冷卻定子或軸承的目的。隨著機組的運行冷卻器容易發(fā)生以下缺陷：端蓋滲漏（焊縫缺陷或漲接間隙擴大），外壁機械損傷，外壁腐蝕，內壁腐蝕，內壁積垢。尤其是換熱器脹接口缺陷，將直接導致?lián)Q熱器，嚴重影響機組安全穩(wěn)定運行。通常只能采用脹接口焊接修復或更換空冷器的方式處理。

在制定空冷器運行和維護策略時，從發(fā)現(xiàn)缺陷到處理缺陷存在一個時間段，需要完成原因分析，處理方案確定，設備采購等，這段時間內如何確定運行空冷器的策略就非常迫切。空冷器尤其在空冷器更換過程中，選擇冷卻材質、計算壁厚、改進脹接工藝等方面，存在諸多影響因素，更換方案的制定存在巨大困難，本文針對性的整理了空冷器運行策略及更換方案，并在某水電站空冷器更換中進行成功應用，說明該方案在確保大型水電站空冷器更換的可靠、安全穩(wěn)定運行有重要意義。

1 現(xiàn)狀及問題

1.1 現(xiàn)狀

電廠維護人員在開展定期風洞巡視檢查中，分別發(fā)現(xiàn)#5發(fā)電機2號空冷器漏水;#6發(fā)電機1、4、10、14號空冷器漏水;#7發(fā)電機4、9號漏水、#9發(fā)電機4、8、12、13號空冷器漏水。為防止漏水情況進一步惡化影響機組安全穩(wěn)定運行，發(fā)現(xiàn)空冷器漏水后，運行人員立即對漏水空冷器進行隔離。

根據(jù)發(fā)現(xiàn)的異常情況，電廠于9月2日-9月17日組織對各臺發(fā)電機出現(xiàn)漏水問題的空冷器進行了更換，完成漏水的#9發(fā)電機4、8、12、13號空冷器，#7發(fā)電機4、9號空冷器，#6發(fā)電機4、10、14號空冷器，#5發(fā)電機2號空冷器更換工作，更換后經機組運行觀察空冷器運行正常。初步判斷空冷器漏水的原因為冷卻銅管端頭脹管部位過薄，長時間運行受水流沖刷磨損、腐蝕造成薄弱部位破損。

我廠9號發(fā)電機冷卻方式均為密閉自循環(huán)空氣冷卻，安裝14個蕪湖某廠家生產的空冷器，型號為280/50/4/2-ESV-S141-34S253，結構為內部紫銅管外加鋁質散熱片，銅管采用脹管工藝安裝，紫銅管徑Φ14mm，壁厚0.8mm。

漏點檢查情況：

2016年11月11日，針對9號發(fā)電機2、3號空冷器進行打壓試驗，壓力升至0.2Mpa時檢查發(fā)現(xiàn)兩臺冷卻器均存在兩處漏點，漏點均處于空冷器的上端部。以下為漏點處照片。

1.2 空冷器失效原因分析

1.2.1 換熱管結垢

換熱器使用工業(yè)循環(huán)水冷卻，使用過程中，水會不斷蒸發(fā)、風化，導致循環(huán)水含鹽量不斷增加，最后結垢析出。冷卻水在使用過程中與空氣接觸，也會溶解灰塵、微生物等，也會導致結垢。

1.2.2 換熱器失效

換熱管是直接接觸生產物料的主要部件，經常會因為選材、加工制造技術、實際工況復雜等引起腐蝕，或因力學因素導致泄漏。據(jù)統(tǒng)計，換熱管失效的主要位置有3處。（1）換熱管與管板連接處，該處可能因為焊接技術的問題或者物料沖刷腐蝕等出現(xiàn)裂紋，引起換熱器內漏。（2）換熱管與折流板的配合處，換熱器在生產過程中，換熱管與折流板的配合處留有一定的間隙，在殼程的流體沖擊下，間隙會逐步增大，在配合處引發(fā)泄露。（3）管束表面腐蝕穿孔，管程走循環(huán)水冷卻，管內有部分粘泥沉積產生污垢，沉積物導致縫隙內Cl-濃度增大，H+和Cl-形成腐蝕強烈的鹽酸，使管束腐蝕而穿孔內漏。

1.2.3 換熱器殼程磨損腐蝕

由于石油化工中的生產介質往往具有一定的粘連性，為防止介質沉淀結垢，一般要求流體流速較快。因為流體與殼程相對速度較大，經過流體長時間的沖刷，使換熱器構件表面常會產生腐蝕損壞。

結合我廠漏水情況，分析漏水原因主要為：

（1）空冷器銅管材質為紫銅，壁厚為0.8mm，加之銅管是通過脹管方式安裝進冷卻片及銅管承管板，銅管脹接后會導致壁厚相應減薄，而穿越承管板的銅管要經歷冷卻片脹接及承管板脹接兩道工序，因此承管板部位的銅管壁厚更薄，因此長期運行該部位的銅管極易發(fā)生破裂，初步分析該原因為本次漏水的主要原因;

（2）我廠空冷器材質為紫銅，耐腐蝕程度不及性能更優(yōu)良的鎳銅合金，因此長時間運行后受泥沙的沖刷磨損，將導致銅管的薄弱部分發(fā)生破裂。

1.3 難點

目前廠家給出了新的冷卻器更換方案，但對更換方案適用性復核還是存在許多難點。

冷卻管材料更換的合理性，空冷器材質為紫銅，長時間運行后受泥沙的沖刷磨損，將導致銅管的薄弱部分發(fā)生破裂。如何選擇更適合電廠的材料。

冷卻管壁厚經過冷卻片脹接及承管板脹接兩道工序，設計文件中沒有給出工藝減薄的計算方案，另外在冷卻器運行過程中進水側存在泥沙的沖刷磨損，管壁薄弱位置需要進行沖蝕磨損壁厚復核。

材料的脹接工藝影響管壁減薄，以及運行過程中沖刷，是導致這次冷卻器失效及機組故障的主要原因，因此脹接工藝如何控制管壁工藝減薄，如何加強密封，脹接后存在的應力及應力腐蝕的風險如何避免，這些都需要復核。

在新的更換方案中對管道壁厚，管道材質進行更換，這些參數(shù)變換后冷卻器效率是否存在影響，冷卻效率是否符合機組設計要求，都需要進一步復核。

2 運維對策

2.1 運行對策

（1）建立某電廠發(fā)電機空氣冷卻器特巡制度。按照《發(fā)電設備巡回檢查管理標準》，機組停機后及時進入風洞巡檢，重點檢查空冷器，并按《風洞巡檢記錄表》進行記錄。

（2）通過風洞內高清攝像頭，監(jiān)視空冷器運行情況。

（3）在保證各導軸承瓦溫不上升的情況下，降低供水水壓，調整供、排水管路壓差，減緩水流通過冷卻器的流速。

（4）將技術供水方式由正向供水切換為反向供水，以減輕冷卻器原進水口端管壁的持續(xù)磨損。

（5）調研新型的耐磨耐腐蝕的空冷器進行空冷器整體改造。

2.2 維護對策

針對目前存在的難點，目前電廠對這一廠家的空冷器制定更換計劃，通過調研，優(yōu)選供貨廠家，聯(lián)系廠家后，廠家給出的更換方案是，改進脹接工藝，更換冷卻水管材質，提高冷卻壁厚。

（1）冷卻管材料優(yōu)化，相比于空冷器目前的材質紫銅，因為紫銅長時間運行后受泥沙的沖刷磨損，將導致銅管的薄弱部分發(fā)生破裂。不銹鋼材料的硬度更高，耐磨性更好，建議更換為不銹鋼316L材質。

（2）脹接口壁厚減薄監(jiān)測，冷卻管經過冷卻片脹接及承管板脹接兩道工序，管壁不可避免地存在工藝減薄，另外在冷卻器運行過程中進水側存在泥沙的沖刷磨損，減薄比出水側更快，但運維過程中缺少監(jiān)測冷卻管壁厚的技術，可以通過監(jiān)測管道內徑的變化來計算壁厚減薄。所以建議從入場時開始，以后每次B級以上的檢修，監(jiān)測冷卻管脹接口內徑。

（3）脹接口連接工藝改進，材料的脹接工藝不可避免地造成管壁減薄，加工應力的積累，成為空冷器運行的一個薄弱環(huán)節(jié)。同時脹接位置是兩種材質的連接，冷卻水管為紫銅，管板為碳鋼，連接位置長時間運行，由于膨脹系數(shù)不同，容易在脹接口位置滲漏。而對冷卻水管和管板進行焊接然后進行熱處理可以有效克服上述不足，因此建議采用脹焊工藝加焊后熱處理代替脹接工藝。

（4）壁厚優(yōu)化，管道材質和厚度變化后會影響冷卻器效率，經過廠家生產驗證，1.0毫米對不銹鋼管替換原先0.8毫米的紫銅管，冷卻效率確實存在一定下降，但更換后冷卻效率也能夠滿足機組運行對定子冷卻的要求，所以建議，采用1.0毫米對不銹鋼管優(yōu)化0.8毫米的紫銅管。

經過空冷器更換試驗，完成9號機漏水的空冷器的更換，根據(jù)對更換位置冷卻器環(huán)境溫度，出口熱風溫度及定子鐵芯溫度的分析，該位置定子鐵芯溫度滿足運行規(guī)程要求，在各種工況下，該位置定子鐵芯溫度較其他位置沒有升高，漏水情況得到解決，試驗取得成功。

3 結語

（1）某電廠發(fā)電機空氣冷卻器運行策略：建立特巡制度，高清攝像頭監(jiān)視空冷器運行，降低供水水壓，減緩水流通過冷卻器的流速，正向供水切換為反向供水。該策略能夠有效控制空冷器缺陷擴大。

（2）冷卻器更換方案，冷卻管材料更換為不銹鋼316L材質。采用脹焊工藝加焊后熱處理代替脹接工藝，采用1.0毫米對不銹鋼管優(yōu)化0.8毫米的紫銅管。從入場時開始，以后每次B級以上的檢修，測量冷卻管脹接口內徑，監(jiān)測脹接口壁厚減薄。該方案能夠有效解決空冷器脹接口滲漏問題。

【參考文獻】

[1]李富華，項軍，杜威，張蕾，張建平，唐娜.換熱器結垢與除垢的研究進展[J].鹽科學與化工，2017，4606：22-25.