核電廠發電機空冷器新型堵漏工藝開發與應用

崔運佳

（秦山核電維修一處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

秦山核電一廠（以下簡稱秦一廠）共有8臺發電機空氣冷卻器（以下簡稱空冷器），在2017年期間多臺空冷器發生了傳熱管大面積泄漏的情況，漏管數超出了空冷器設計裕量，導致發電機風溫異常升高，若不及時在線處理解決，將導致發電機風溫超出運行限值，存在較大的機組降功率甚至停機的風險。然而，由于單臺空冷器的冷卻功率有限，在不降低機組功率的情況下不具備同時隔離兩臺空冷器進行檢修或更換的條件。在此情況下亟待開發一種核電站空冷器新型在線堵漏工藝，在機組不降功率的情況下快速消除泄漏缺陷，恢復空冷器的冷卻功能。

在常規的空冷器檢修中，傳熱管泄漏后一般采用堵管工藝進行堵漏，堵管工藝使用尼龍堵頭，對泄漏傳熱管兩端進行堵塞，達到阻止介質從傳熱管流出的目的。該方法雖然簡單高效，但是會降低發電機空冷器的傳熱效率，且堵管數量有上限要求，不得超過設計要求的堵管率≤8%。由于機組運行時間較長，空冷器累計堵管數量較多，且由于空冷器傳熱管管側結構為翅片式，翅片與傳熱管相對固定，不具備在線更換的條件，因此導致空冷器整體堵管率逐年上升，已接近堵管數量的上限，如不及時將已堵傳熱管的功能恢復，將直接導致空冷器冷卻功能劣化，及發電機不可運行。本文針對如何恢復空冷器已堵管道的冷卻功能的技術問題開發了一種新型堵漏工藝，在保留傳熱管部分冷卻功能的前提下成功消除了傳熱管漏水缺陷，顯著提高了空冷器的冷卻能力，保證了發電機的安全穩定運行。

1 空冷器及其傳熱管泄漏機理簡介

1.1 空冷器結構原理介紹

空氣冷卻器是利用空氣與流體進行熱交換的換熱器。管內的熱流體通過管壁和翅片與管外空氣進行換熱。秦一廠的空冷器管內介質為海水，管外介質為發電機小室空氣。由于空氣側的傳熱系數低，故管外加裝了翅片，以增加傳熱面積和減小熱阻?？绽淦鹘Y構由傳熱管、管板、翅片、蓋板等組成。海水從進水室進入，經過傳熱管對空氣進行冷卻，然后由折回水室回流，最終通過回水室返回海水系統，如圖1所示。

圖1 發電機空氣冷卻器結構原理示意圖

1.2 空冷器傳熱管泄漏機理及傳統堵漏方法介紹

1.2.1 設計原因

該核電機組發電機的6號空冷器因堵管率高（16.8%、堵管20根），超過設計要求的堵管率≤8%，同時考慮發電機進風溫度在2016年夏季接近發電機進風設計額定溫度45℃，為保證發電機進風溫度在2017年夏季不出現超設計溫度的情況，電廠設備管理人員安排在2016年的機組大修中對6號空冷器進行了整體更換。同時考慮發電機進風溫度在前一年夏季接近發電機進風設計額定溫度45℃，為保證發電機進風溫度在本年度夏季不出現超出設計溫度運行的情況，設備工程師還同時安排了堵管率較高的4號、5號和8號三臺空冷器的整體更換，原空冷器材質為鈦管，由于鈦管換熱器采購時間長等原因，設備工程師采購了材質為B10白銅管的空冷器，并在2016年的機組大修k對4號、5號、6號和8號空冷器進行了更換。更換新空冷器后，發電機進風溫度明顯降低，在2017年7月14日前，發電機進風溫度保持在40℃左右，空冷器運行狀態良好（原設計圖紙如圖2所示）。

圖2 發電機空氣冷卻器冷卻管設計圖

原圖紙技術數據：

a）冷卻能力2 400 kW

b）運行水量720 t/h

c）運行壓力0.1 MPa

d）最大運行水壓0.3 MPa

e）風壓降600 mmH2O(風速3.3 m/s）

f）最高進水溫度33℃

g）出風溫度40℃

新更換的四臺空冷器在運行不到半年的時間內，相繼出現傳熱管泄漏的問題，且單臺空冷器傳熱管泄漏的數量較多，缺陷頻率遠遠高于歷史運行數據，存在較為明顯的共模故障。更換前采用鈦管作為冷卻管的空冷器已經持續運行快30年，雖然隨著運行時間的增加堵管率也增加，但沒有出現過本次采用B10白銅管為冷卻管的空冷器這樣短時間大面積泄漏。實踐證明：原設計的冷卻管材質B10不適合現場含沙量較高的海水運行工況，傳熱管會在海水沖刷下腐蝕。

1.2.2 環境原因

秦一廠空冷器傳熱管的管內外介質為海水和空氣，由于發電機小小室內空氣干燥無水分且流速低，空氣往往不會對傳熱管造成腐蝕。而管內的海水由于含有多種陰陽離子以及大量泥沙，會對傳熱管造成化學腐蝕及物理沖蝕，最終造成傳熱管減薄破損泄漏。

1.2.3 傳統空冷器傳熱管堵漏方法

a）堵頭物理封堵工藝。加工與傳熱管對應尺寸的尼龍材質堵頭，堵頭為錐度1∶10結構，確定漏管后，傳熱管兩頭用尼龍堵頭堵死敲緊，防止海水進入該漏管，最終達到堵漏的目的。

b）更換傳熱管工藝。使用專用工具對密封焊進行打磨，切除舊的傳熱管兩端頭，鉆出管板處的舊管道，取出舊的傳熱管，切取合適長度的傳熱管將預制好的傳熱管穿入兩側管板中；按照焊接要求對兩側的傳熱管與管板進行焊接，使用脹管器對兩側管板孔內傳熱管進行脹管處理；目視檢查脹管位置有無破裂、鼓包等異?，F象，對焊接位置進行探傷檢查，設備回裝以后，殼側充水打壓試驗，檢查是否有泄露。

c）停機小修整體更換，按檢修方案進行更換。

然而以上三種方案均存在以下問題：

方案a：因現場四臺發電機空氣冷卻器堵管率已經遠遠超出設計標準值，設計要求的堵管率≤8%，現場方案a已經無法實施。

方案b：因傳熱管管側結構為翅片式，翅片與傳熱管為緊配合固定，現場傳熱管無法進行抽出直接更換。

方案c：整體更換首先需要停機小修，工期約為7天，按每天0.07億千瓦時發電量計算每天損失約300萬元，關鍵是設備備件當時倉庫沒有存貨，當時緊急采購也需要3個月以上才能到貨，根據以上3種傳統檢修方案現場都無法實施，在此情況下亟待開發一種核電站空冷器新型在線堵漏工藝，在保證機組不停機降功率的情況下快速消除泄漏缺陷。

2 空冷器新型堵漏工藝方案

2.1 新型堵漏工藝概述

新型堵漏工藝是在泄露傳熱管內穿進一根新傳熱管（以下簡稱襯管工藝），兩根傳熱管之間為間隙配合，然后使用脹管工藝使兩根傳熱管與管板脹接固定，最后使用耐海水專用防腐涂料進行管板密封。新型堵漏工藝主要包括傳熱管查漏、襯管試驗、襯管實施、柔性堵漏等步驟，以下將逐條詳細介紹。

2.2 傳熱管查漏工藝

采用真空查漏方法對傳熱管進行查漏，傳熱管一端用堵頭堵住密封，另外一端使用真空檢漏儀進行抽真空。若傳熱管泄露，則傳熱管無法建立真空，可以通過真空負壓表觀察；若抽真空后負壓表示數保持穩定，則傳熱管為泄露，反之則判定為漏管。確認漏管后做好標記，以便進行下一步處理。

2.3 襯管堵漏工藝

當傳熱管發生大面積泄漏，若采用堵管的方式，堵管數會超過設計裕量，此時空冷器的換熱效率將不會滿足使用要求。在此基礎之上，開發了一種新型的襯管堵漏工藝。襯管工藝包括襯管試驗、襯管準備、襯管實施及管道脹接四個步驟，以下分別進行介紹。

圖3 真空查漏法現場照片

2.3.1 襯管試驗

為了使穿管順利，兩管應能相對移動與轉動，新管與舊管間為間隙配合，根據公差配合標準，選用b11、b12公差配合代號進行加工測試，具體應提前進行襯管試驗，為保證換熱效果，最終尺寸選擇應在能順利穿進舊管的前提下越小越好。

圖4 襯管試驗照片

2.3.2 襯管準備

使用毛刷對傳熱管內部進行清理，清理完后用除鹽水沖洗原傳熱管，防止襯管時有臟污影響穿管；根據襯管試驗中確認的尺寸選取傳熱管，并將傳熱管切割到原管長度（可略長一些）；使用砂紙打磨新傳熱管兩端；使用真空硅脂均勻涂抹在傳熱管外部，一方面可以增加順滑方便襯管，另一方面可以填充間隙，增強兩管之間的導熱性。

2.3.3 襯管實施

襯管采用人工方式進行，由兩至三人合力將新管穿到原泄漏管中，穿管時應注意新管要保持水平，若遇到卡澀情況可使用銅棒及鐵錘輕輕敲進。

2.3.4 管道脹接

穿管完成后，傳熱管兩端使用脹管機進行脹管，使新管、舊管、管板三者徑向脹接在一起，增強密封性。

2.4 柔性堵漏工藝

傳統方法為進行管板密封，脹管完成后需進行密封焊處理，而密封焊對焊工操作要求高，耗費工時長。為達到快速堵漏的目的，本工藝采用了防腐柔性堵漏的方法進行密封。

選用耐海水陶瓷防腐涂料均勻涂抹在管板及管口，48 h后即可晾干，耐海水陶瓷防腐涂料兼具硬度與耐腐蝕性。此方法既可以增強管板的耐海水腐蝕性及沖刷性，又可以增強管板密封，可以起到密封焊點效果，最終達到堵漏的目的。

圖5 襯管工藝示意圖

3 效果驗證

為檢查新型堵漏工藝的實施效果，從密封性與換熱效果兩方面進行驗證。

（1）采用水壓試驗的方式對空冷器管側進行打壓，觀察壓力表是否在30min保持示數穩定。經現場觀測空冷器水側壓力穩定，空冷器采用新型堵漏工藝后密封性良好。

（2）通過測量海水溫度及空冷器熱側相關設備溫度及空氣風溫，最終得到以下數據對比（見圖6）。由圖可見，新型堵漏工藝對空冷器換熱效率影響微乎其微，空冷器可以正常工作，相比于堵管，換熱效率大大提高。

圖6 柔性堵漏實施效果照片

堵漏完成后，設備最終投用。

圖7 新型堵漏實施前后溫度對比圖

4 后續建議與展望

傳熱管材質選擇應嚴格按照設備使用設計標準，進行材質替代時需要進行充分的評估，應綜合考慮介質成分、介質流速、環境溫度等因素。

發電機空氣冷卻器新型堵漏工藝為管式換熱器在線快速堵漏提供了一種新的思路，且實施效果良好，成功避免了機組停機小修，空冷器小修進行更換至少需要7天時間，使用新型堵漏工藝可在線對每臺空冷器進行堵漏，從而創造了具體巨大的發電效益。此工藝快速有效，可行性好，可以推廣到其他核電廠，具有不錯的應用前景和潛在經濟效益。