核電廠潤滑油冷卻器泄漏原因分析

陳小飛,歐鵬

(蘇州熱工研究院有限公司,廣東 深圳 518000)

核電廠潤滑油系統是用來向給水泵汽輪機軸承提供潤滑油的,為避免給水泵汽輪機軸承運行時溫度過高帶來的軟化、變形等危險,潤滑油的溫度必須維持在一定范圍內。通常通過調節潤滑油冷卻器(以下簡稱為冷油器)來將高溫的潤滑油和低溫的冷卻水進行熱量交換,才能保證潤滑油的溫度范圍。潤滑油系統如果出現冷油器泄漏和油側進水的問題,則會造成油系統含水量超標。這不僅給維護帶來繁瑣的工作,而且還嚴重影響機組的安全運行。因此對油箱相關參數進行監控,通過參數的細微異常找出泄漏原因并進行處理,能有效保證機組安全穩定運行。

某核電廠執行主油箱定期取油樣工作時,通過參數對比,發現油中有大量的游離水出現。進一步檢查漏點,排除泵自身的機械密封及油箱蓋板密封不嚴進水的可能,判斷冷油器泄漏的可能性較大,經過對冷油器設備結構特點進行判斷,泄漏的位置最可能出現在冷油器銅管位置。為了查找銅管泄漏原因,利用機組停機檢修時的氦氣查漏、渦流檢測、宏觀檢查等多種方法,最終發現泄漏銅管是折流支撐板處凹陷穿孔導致。

1 冷油器設計結構

某電廠冷油器是用來冷卻主給水泵汽輪機的潤滑油。冷油器為管殼式結構,采用立式結構布置,主要由上下水室,殼體管系及充油回路構成,結構如圖1所示。殼體上有進出水管,進出油管,排水管,排油管,排氣管及溫度表座等。黃銅管和隔板組裝后安裝在殼側,銅管的兩端均脹接在管板上,循環除鹽冷卻水通過頂部的端蓋進入冷油器內流通,殼側充入潤滑油,兩者通過管壁進行熱交換。冷卻器水側4 bar左右,油側3 bar。

圖1 潤滑油冷卻器結構圖

2 冷油器泄漏檢查

選取某電廠泄漏冷油器作為分析對象,冷油器油水泄漏的位置可能有兩處,冷油器上下部固定端管板處和冷油器管束處。通過打開冷油器上下方蓋板,宏觀檢查未發現上下部固定端管板有泄漏等異常現象,所以泄漏最大可能位置是冷油器管束[1]。在隔離解體冷油器水側,排凈冷油器中的油和水,冷油器管束是由直管組成,冷油器管束之間設有折流支撐板(以下簡稱支撐板),如圖2。

圖2 冷油器管束圖

2.1 氦氣查漏試驗

對冷油器銅管進行氦氣查漏試驗檢查,氦氣查漏法是指用氦氣作為追蹤劑,使用氦質譜檢漏儀利用冷油器銅管的真空吸入狀態進行查漏的方法。使用真空泵對銅管內部抽真空,在銅管表面加入氦氣,當被檢銅管表面有漏點時,氦氣就會通過露點進入銅管,在真空泵出口位置安裝氦質譜檢漏儀的探測管,對冷油器銅管逐個進行查漏,發現外圈有銅管(圖3實心圓圈位置)存在泄漏[2]。真空法的優點是檢測靈敏度高,可以精確定位,能實現大容器或復雜系統的檢漏。真空法的缺點是不能準確反映被檢部件的真實泄漏狀態。所以,對于泄漏銅管真實情況,還需進一步排查。

圖3 泄露銅管位置

2.2 渦流檢測

渦流檢測是基于電磁感應原理的無損檢測方法。渦流探頭內含線圈,當通有交變電流時,線圈產生的交變磁場與被檢測對象發生作用,此時在被檢測對象中產生感應電流。如果檢測對象存在缺陷,會導致產生的感應電流強度和分布有變化,反過來又會影響探頭中線圈的阻抗,通過信號處理檢測探頭的阻抗變化,可以得知被檢測對象是否存在缺陷,利用這種原理來檢測缺陷的方法稱為渦流檢測。高性能的渦流檢測設備是發現缺陷、分析缺陷的必要保證。采用某公司生產的渦流儀和配套的檢測軟件,對上述全部的冷油器銅管進行渦流檢測[3]。

本次檢測冷油器銅管的編號方法,是以坐標方式(Rxxx,Cxxx)表示的編號。面向冷油器油管上方的管板:定義豎直方向為R(Row)方向,出水口最上邊的一行為R001,向下相鄰的一行為R002,依此類推;定義水平方向為C(Column)方向,在每行中從左到右依次由小到大排列,即每行第一根管子為第一列即C001,相鄰的一根C002,依此類推;對于每一根管子,應具有唯一的編號。

根據缺陷所在位置,選擇主頻或混頻通道的相位—傷深曲線對缺陷做出評定。對采集的渦流數據進行分析,發現上述氦氣查出的6根泄露銅管均有異常信號顯示,缺陷信息見表1。

表1 銅管渦流缺陷信息

從渦流檢測缺陷管的結果分析可知,缺陷均是位于折流板處的凹陷。折流板處的凹陷李薩如圖4均有明顯的“8”信號,且相位在180°左右[4]。

圖4 折流板處凹陷信號圖

2.3 宏觀檢查

冷油器銅管內的介質為循環冷卻水,銅管外的介質為潤滑油。正常情況下,銅管表面呈正常黃銅色,干凈,顯示油側運行較清潔。經對腐蝕后的銅管外表面體視鏡觀察發現,局部有褐色斑點、斑塊,凹陷,并有表面脫鋅現象。

對冷油器銅管束再采用內窺鏡檢查,發現未泄露的銅管表面呈正常黃銅色,干凈無附著物。泄露銅管位置,均發現一定程度的凹陷顯示,圖5發亮的位置處凹陷明顯可見,與渦流檢測結果相符。

圖5 R022C001內窺鏡圖

3 泄露原因分析及處理

銅管支撐板位置的凹陷缺陷,一部分原因是銅管本身質量及制造缺陷引起的,銅管與管板焊縫徑向間隙、材料(狀態)、加工精度、制造質量等都有可能直接影響銅管與支撐板連接位置處產生泄漏。還包括部分銅管的表面如有劃傷或者被氧化等也會產生凹陷。由于銅材質表面比較軟,制造過程中用力過大都會引起銅管縮口毛刺。由于端口有飛邊或者硬化,后期易在擴口時引起開裂,銅管加工時產生變形,銅管表面應力缺陷加深,外表面拉應力過大,就會產生凹陷。當銅管表面被氧化時,由于內表面摩擦力和無氧化銅管內表面的摩擦力不相等,導致銅管表層長度的尺寸不一致,也引起凹陷。制造過程中銅管如有質量缺陷,應及時更換新銅管,出廠的銅管應增加無損檢測方法,建議對新銅管除進行渦流檢測方法,氦氣查漏等常規檢測方法,還需要增加光譜分析,確認銅管質量可靠,另外還需要求銅管供應方提供質量保證。在銅管設計和制造中,要不斷改進工藝,增加銅管使用期限,延長使用壽命,以提高銅管的性價比。

銅管運行一段時間后,銅管與管板連接焊縫處易產生泄漏。由于管束中間設有折流孔板,殼體內的水是以橫向垂直于管軸線的方向通過管束的。殼體中的水流會引起冷油器的振動,表現為銅管與相鄰銅管或折柳孔板內壁的撞擊,使得冷油器的銅管容易發生凹陷、開裂或切斷。冷油器銅管的彈性模量、慣性矩和振動阻尼的數值較小,抗彈性變形能力弱,不具有較強的抗振能力,長期運行時會造成不同程度的損壞。運行期間冷油器內的管束在水流沖擊和油流的作用力下產生晃動摩擦,銅管發生疲勞損壞,銅管與管板連接處有可能會發生泄漏。設備振動容易引起支撐板與銅管位置產生凹陷,在設備改造方面,在冷油器下部安裝支撐以減少內部管束的晃動摩擦。另外冷油器運行時,將冷油器冷卻水進水速度減少,以降低冷油器進水壓力,根據循環水溫度變化情況進行調節相關閥門,避免對冷油器列管產生過大的沖擊。使用過程中如發現銅管凹陷引起的泄露,相關人員應當及時排除泄露銅管,查找銅管凹陷發生的原因,并通過過程控制和加工監管,避免泄露持續產生。

4 結論

電廠給水泵汽輪機冷油器泄漏會導致油側進水,影響機組的安全運行,筆者通過某次停機檢修氦氣查漏、渦流檢測、宏觀檢查等綜合方法,發現冷油器泄露主要是銅管支撐板位置處的凹陷引來的。冷油器銅管泄漏原因為支撐板位置的凹陷引起,與銅管本身的制造缺陷、運行工況有關。如銅管運行時承受不了工作應力,將會造成突發性的破壞事故。因此,需要從銅管制造工藝、運行工況等方面進行改進,可以采取以下有效措施:

1)基于上文提到的銅管檢測方法可靠,氦氣查漏、渦流、宏觀檢查等多種檢測技術在冷油器銅管查漏中起著重要的作用,對保證其質量和安全運行起著極其重要的作用。所以針對新采購的冷油器銅管在安裝前應進行無損檢測確保質量可靠;使用前檢查其質保書和理化分析報告,必要時進行成分分析和金相檢驗[5]。

2)冷油器設備改造方面,在冷油器下部安裝支撐以減少管束的晃動摩擦。在系統運行方面,調節冷油器進水閥門,降低冷油器進水的壓力,減少系統振動。

3)運行時的冷油器銅管如果出現泄漏,給水泵油系統就會有油側進水的問題,導致給水泵啟動后油系統含水量超標,威脅機組的安全運行,因此運行系統應該加強過程控制和監管,通過儀表參數等信息異常及時分析泄露位置,從水質的異常中及時準確地判斷相關設備可能出現的泄漏,找出泄露管并進行堵管處理。

采用以上的措施,冷油器運行的事故隱患可能依然存在,所采取的措施只是延緩了部分問題,在以后的生產工作中,需繼續探索有效的改良措施,保證冷油器安全運行,減少非正常停機檢修次數,使生產更加穩定可靠。