目視檢驗在核電廠凝汽器熱交換器檢查中的應用

趙敏 賀志清 宋雙官

摘 要：核電廠凝汽器熱交換器為核電站常規島二回路系統提供高質量的冷卻水。凝汽器熱交換器內傳熱管由于各種原因，在運行中會產生穿孔、銹蝕、凹坑、管口缺失等缺陷，傳熱管泄漏將影響系統設備的正常運行。傳熱管在役檢查是保證其安全穩定運行的重要手段，對于傳熱管的檢查通常采用渦流檢驗、泄漏檢驗及目視檢驗的方法，而目視檢驗可以有效補充渦流檢驗及泄漏檢驗的不足，可見部分能準確直觀的判別其性質，同時目視檢驗對異常傳熱管的成因分析也可以提供幫助。目視檢驗在核電廠凝汽器熱交換器的在役檢查及失效分析中發揮著重要作用，保證了機組安全穩定運行。

關鍵詞：熱交換器 ?缺陷 ?目視檢驗 ?鈦管 ?分析

中圖分類號：TM623文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1672-3791（2021）12（a）-0000-00

The Application of Visual Inspection in the Inspection of Condenser Heat Exchanger in

Nuclear Power Plants

ZHAO Min1 ?HE Zhiqing1 ?SONG ShuangGuan2

（1.State Nuclear Power Plant Service Company，Shanghai， 200233 China;2. Shanghai Lanya Petrochemical Equipment Inspection Institute Co.， Ltd.， Shanghai，201518，China）

Abstract：The condenser heat exchanger of nuclear power plant provides high-quality cooling water for the conventional island second circuit system of nuclear power plant. Due to various reasons， the heat transfer pipe in the condenser heat exchanger will produce defects such as perforation， rust， pit， pipe mouth loss， etc. in operation， and the leakage of heat transfer pipe will affect the normal operation of the system equipment. Heat transfer pipe in service inspection is an important means to ensure its safe and stable operation， for the heat transfer pipe inspection usually uses vortex inspection， leakage inspection and visual inspection methods， and visual inspection can effectively supplement the vortex inspection and leakage test deficiency， visible part can accurately and intuitively determine its nature， while visual inspection of abnormal heat transfer pipe cause analysis can also help. Visual inspection plays an important role in the in-service inspection and failure analysis of circulating cooling water heat exchangers in nuclear power plants， ensuring the safe and stable operation of the unit.

Key Words： Heat exchanger; Defect; Visual inspection; Titanium tube; Analysis

1前言

凝汽器又稱冷凝器，是核電廠常規島的一個重要設備，在汽輪機組的熱力循環系統中起著冷卻作用，它對整個核電廠的安全運行、保證核電廠經濟效益具有重要作用。凝汽器傳熱管的泄漏將會影響核電廠二回路水質，嚴重時會影響機組功率，甚至導致機組停機，直接影響核電廠的經濟效益[1]。凝汽器熱交換器管殼側的介質分別是海水和蒸汽，采用海水冷卻來自低壓缸的蒸汽。

1.1凝汽器的結構

凝汽器是熱力系統的冷源設備，它分為表面式和混合式兩種，表面式更為常用[2]。其結構如圖1所示，凝汽器有外殼、端蓋、管板、冷卻水管、熱水井及擋板、隔板等組成。由凝汽器的外殼、管板和冷卻水管將凝汽器分為兩個空間;凝汽器外殼、管板和冷卻水管壁外部分為蒸汽空間;另一部分為冷卻水空間。蒸汽與冷卻水官外壁接觸，冷卻水在冷卻水管內流動，蒸汽與冷卻水通過冷卻水管管壁換熱，使蒸汽凝結成水，形成真空。

1-凝汽器外殼 2-前水室的端蓋 3-后水室的端蓋 4-鋼管 5-排氣進口 6-熱水井 7-抽空氣口 8-空氣冷卻區 9-空氣冷卻區擋板 10-冷卻水進口 11-冷卻水出口 12-蒸汽空間

13、14-水室

1.2凝汽器的工作原理

凝汽器中裝有大量的換熱器，并通以海水作為循環冷卻水。當汽輪機的排氣與凝汽器換熱管外表面接觸時，因為受到換熱管內水流的冷卻，放出氣話潛熱變成凝結水，所放潛熱通過換熱器管壁不斷地傳給循環冷卻水并被帶走[3]。這樣排氣就通過凝汽器不斷地被凝結下來。排氣被冷卻時，其比容急劇縮小，因此，在汽輪機排氣口下凝汽器內部造成較高的真空。

機組投運以來，每年會對凝汽器熱交換器傳熱管進行渦流檢驗，但渦流檢驗存在管口檢驗盲區及管內部分幅值較低穿孔信號較難分辨的情況，目視檢驗很好地補充了這點，對于缺陷的提早發現提供有力支撐。

凝汽器熱交換器傳熱管發現缺陷后，其堵管現象越來越多，個別堵管數量接近設計的5%，現階段采取的手段是對缺陷管進行堵管。堵管前對缺陷管進行目視檢驗，也能對缺陷成因分析提供幫助。

2在役階段傳熱管目視檢驗

對凝汽器熱交換器傳熱管進行目視檢驗，檢驗主要包括管板及管口區域的直接目視檢驗及管內渦流檢驗判斷存疑部分進行內窺鏡目視檢驗。為了提高缺陷檢出率，檢驗前必須進行充分準備：（1）由于傳熱管管側介質為海水，水中泥沙含量比較多，機組停機后在管板及傳熱管內殘留大量泥沙[4]。所以，在進行目視檢驗前必須對管板及傳熱管進行沖洗;（2）進行直接目視檢驗時，由于檢測區域照明條件比較差，管板為光澤金屬表面，選擇照明光源時照度必須滿足程序最低要求，照度已不能太高，檢測時光線已不能直射被檢表面。（3）由于傳熱管管徑比較大且為直通管，選擇內窺鏡進行間接目視檢查時，在滿足要求的前提下盡量選擇直徑大一點的探頭和放大倍數大一點的內窺鏡。管板結構具體見圖2。

2.1凝汽器熱交換器傳熱管直接目視檢驗缺陷

熱交換器的管側的工藝介質是含泥沙顆粒的海水。水質好壞將會直接影響傳熱鈦管的熱效率，更會影響鈦管的服役壽命長短[5]。海水中含有一定量的泥沙顆粒、微生物、貝殼類硬質異物。表明RCW熱交換器的運行環境是比較惡劣的，微生物及泥沙的腐蝕和磨損、異物堵塞、機械割傷等，具體情況見圖3～圖13，大都是導致傳熱鈦管過早破損失效的原因。目視檢驗能夠很好地發現及判斷缺陷。

2.2凝汽器熱交換器傳熱管間接目視檢驗缺陷

由于機組堆型不同或功率不同，凝汽器熱交換器傳熱管長度在15～20 m之間，在役期間管壁檢查方法主要是渦流檢驗，對于管板及管口盲區域采用直接宏觀目視可以作為渦流檢驗的補充檢驗，但對于管子內部存在部分渦流探頭不能通過及缺陷信號幅值太低導致無法準確判定是否為穿孔缺陷的情況，補充內窺鏡的間接目視檢驗[6]。內窺鏡發現管內異物及穿孔。具體情況見圖14～圖21。

3缺陷管破口的宏觀目視

對2根存在穿孔缺陷的鈦管進行換管處理，缺陷管破口處進行宏觀目視，進行缺陷成因分析。

3.11#缺陷管

該破口距出水口 1 715 mm處，而且正好位于支撐板處，形狀為不規則潰蝕形態，大小10mm×5 mm，其宏觀形態和內外壁破損特征見圖22～圖24，從圖中可以看出，該破口外壁有一條較長、較寬的機械割痕，并且在另一處也有割傷刀痕。這類機械割傷顯然是在鈦管穿過支撐板時被機械損傷的或鈦管本身就存在就有割傷痕，雖然當時未破損泄漏，但在運行時由于鈦管與支撐板之間的微動磨損作用，使機械割傷口處的管壁有所減薄并最終疲勞開裂。

3.2 2#缺陷管

該破口距管口125 mm處，位于管板與第一個支撐板之間，交替存在3個階梯狀相互平行的窄形條孔，各個破口大小不等，最大的有5 mm，具體見圖25。

從破口的宏觀形貌來看，外壁沒有磨損和沖刷痕跡，表明破口是從內壁破損的。從圖26～圖28所示的幾個不同形態來看，內壁表面經歷了很大的擠壓剪切塑性變形，管壁已褶皺，同時破口周圍也存在一系列線狀的磨削變形條，并且磨損條痕有點扭曲，但方向均沿管子的軸線。這說明含泥沙海水是以高剪切速率擠壓和磨削管內壁的，該剪力超過了鈦管的剪切屈服強度，致使管壁出現大的剪切塑性變形。可以推斷這一區域的管子遭遇異物的全面堵塞，這個異物就是堵塞在管內的泥塊和淤泥在外觀檢驗時曾看到過泥沙堵管的現象。

4結語

目視檢驗在核電廠凝汽器熱交換器在役檢驗中發揮著重要作用，目視檢驗能準確直觀地判別其性質，同時對缺陷傳熱管的成因分析也可以提供幫助。保證凝汽器熱交換器能在規定的服役期限內安全可靠的運行，也保證了機組安全穩定運行。

參考文獻

[1] 崔雙雙.大型發電機組重要部件的有限元計算[D].北京：華北電力大學，2019.

[2] 黃德. 國內某核電站凝汽器特性試驗及修正計算[J]. 科技視界， 2019（22）：4.

[3] 桑秀軍， 張若龍， 吳偉. 汽輪機凝汽器換熱管腐蝕泄露的研究與分析[J]. 電力設備管理， 2018（1）：3.

[4] 劉佩磊，張建峰.傳熱管管口及管板目視檢查異常情況分析[J].科技資訊，2019， 17（29）：56-58.

[5] 高晶. 沿海電廠凝汽器鈦管泄漏原因分析與運行維護策略[J].科技展望， 2017（11）：86.

[6] 胡夢杰.風力機葉片翼型及渦流發生器氣動形狀組合優化設計研究[D].武漢：湖北工業大學，2020.