秦山第二核電廠RRISEC熱交換器海水內漏的理論分析及預防措施

苑景凱

摘 要：該文主要運用理論聯系實際的方法深入計算并論證了秦山第二核電廠（以下簡稱秦山二廠）RRI/SEC熱交換器發生海水內漏缺陷的可能性。通過深入分析，確定了處于備用列的RRI/SEC熱交換器發生海水側向除鹽水側泄漏的可能性。同時也介紹了RRI/SEC熱交換器發生海水內漏的危害以及防止熱交換器內漏的預防措施，以與同仁進行探討。也可供同類核電廠設計人員及核電廠同仁參考。

關鍵詞：秦山二廠 板式熱交換器 伯努利方程 海水內漏 預防措施

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0105-04

壓水堆核電M310機組的RRI/SEC板式熱交換器主要負責將核島相關設備產生的熱量傳遞給電站最終的熱阱——海水，如果熱交換器的板片等部件發生故障而產生內漏，可能會導致海水進入除鹽水RRI側，進而危害核島重要設備的安全運行，影響電站的可靠性、可用率。文章以提高電站設備運行的可靠性為出發點，以秦山第二核電廠為例，分析并論證了RRI/SEC熱交換器發生海水內漏缺陷的可能性，提出了防止板式熱交換器內漏的預防措施，以資同行參考。

1 設備冷卻水系統（RRI）壓力設計原理及功率運行工況下的運行方式

基于設備冷卻水系統（RRI）在核電廠中的功能，該系統的壓力在設計上不能低于安全廠用水系統SEC海水側的壓力，使得海水有可能漏入RRI水側引起核設備的結垢和腐蝕；同時在大多數情況下不能向一回路系統（核島熱負荷）側泄漏，導致可能的核電廠一回路誤稀釋而引發反應性事件。因此，RRI系統運行列在設計上已經保證了足夠的壓力來防止海水漏入及海水漏入后的不良后果。

在機組正常功率運行工況下，設備冷卻水系統（RRI）僅運行任意一個系列的一臺RRI泵，公用環路由該運行的系列提供冷卻水，停運列的列間隔離閥保持關閉狀態。以RRI系統A列處于運行狀態為例，則RRI 001PO或RRI 003PO運行狀態，RRI 002PO與RRI 004PO處于停運狀態，列間隔離閥A系列的041VN和058VN保持開啟，B系列的040VN和059VN保持關閉狀態。

2 安全廠用水系統（SEC）功能及功率運行工況下的運行方式

秦山二廠安全廠用水系統（SEC）是一開式海水循環系統，主要功能是把由設備冷卻水系統（RRI）收集的熱負荷輸送到最終熱阱——海水，該系統由兩個獨立的冗余系列A列、B列組成。即每個系列的設計要保證可冷卻RRI/SEC 板式熱交換器（50%×2）。

在機組正常功率運行工況下，一個系列的一臺泵運行即可滿足本機組對該系統的設計要求，且SEC系統和RRI系統的系列是對應運行的，另一個SEC系列應處于備用狀態，但是秦山二廠安全廠用水系統（SEC）取自杭州灣的海水。由于杭州灣地處江海交匯處，是錢瑭江的出海口，江河之水攜帶有大量的泥沙入海，導致海水中的泥沙含量較高，為防止泥沙沉積堵塞管道、泵殼及板式熱交換器，從而導致核電廠失去熱阱事件的發生，安全廠用水系統（SEC）除運行系列的一臺SEC泵保持運行外，其備用系列亦同時保持一臺SEC泵運行。根據電廠的生產運行計劃，列間切換每兩周一次（同RRI）。

鑒于設備冷卻水系統（RRI）與安全廠用水系統（SEC）在機組正常功率運行工況下運行方式的差異，一旦設備冷卻水系統（RRI）備用列的RRI/SEC板式熱交換器的鈦板有泄漏，是否有可能導致海水進入RRI水側從而引起可能的核設備結垢和腐蝕呢？

3 備用列RRI/SEC板式熱交換器除鹽水側的壓力計算

下面以秦山二廠1#機組在正常功率運行工況下，RRI系統及SEC系統的A列為例進行論述。

鑒于RRI系統在功率運行工況下的運行方式，備用列的RRI泵處于停運狀態，根據該系統的流程圖及其在現場的布置情況，備用列的RRI/SEC板式熱交換器RRI側的壓力是由該備用列的高位波動水箱提供。根據安裝施工位置圖，（見圖1）1RRI001BA波動水箱中心線標高是+17.37 m。機組功率運行工況下液位平均值在161.098 mm即1.61 m，而波動水箱設計最大液位值1.75 m，則波動水箱液位在平均值時的標高應為：1.61 m-（1.75 m/2）+17.37 m=18.105 m。而設備冷卻水系統（RRI）A列RRI/SEC板式熱交換器安裝在標高±0 m處。根據液體的壓強計算公式計算備用列的RRI/SEC板式熱交換器RRI側的壓力，式中是RRI系統介質的密度，根據秦二廠1#機組RRI系統介質化學特性，其密度在1 000.2至1 001 kg/m3之間，g=9.81 m/s2，h值取設備冷卻水系統（RRI）A列波動水箱的液位平均值與A列RRI/SEC板式熱交換器標高的高度差，即是h=18.105 m，計算出的備用列的RRI/SEC板式熱交換器RRI側的壓力=（1000.2～1 001 kg/m3）×9.81 m/s2×18.105 m

≈0.178 MPa.g。

4 備用列RRI/SEC板式熱交換器SEC側的壓力計算

4.1 RRI/SEC板式熱交換器SEC側的壓力計算式

根據能量守恒的伯努利方程

取安全廠用水系統SEC泵A列出口母管SEC001MP所在的位置為截面-，取A列的RRI/SEC板式熱交換器001RF的SEC管道進口處為截面-，則RRI/SEC板式熱交換器SEC側的壓力=++-。

4.2 熱交換器SEC側壓力計算式中靜壓、位壓、動壓計算

4.3 熱交換器SEC側壓力計算式中不可逆壓力損失的計算

是管道的壁面摩擦壓降、形阻壓降、A列貝類捕集器進出口壓降之和，其計算式為：=+，，，表示SEC海水管道的摩擦系數（以海水水溫為20℃時的值為例計算）；L表示截面-到截面的SEC管道的長度；D表示SEC海水管道的直徑；表示SEC海水管道的形阻系數即管道的局部阻力系數Kf。（見表1）

（1）中包含的總摩擦壓降的計算。從截面-到截面之間管道的分段摩擦壓降計算如下：根據GA溝SEC系統管道施工圖，GA溝至NX廠房貝類捕集器前的SEC海水管道長度L=215m，=2.17m/s。摩擦系數即，可參照表1取值。

根據表1，摩擦系數即值取決于杭州灣海水雷諾數Re，而Re=，式中為流體的粘滯系數，且=×海水的運動黏度值。而海水水溫在20℃時的海水的運動黏度值為0.0101，則=1 027.5 kg/m3×0.0 101×10-4 m2/s=0.00 104 kg/m·s。計算得海水水溫在20℃時的雷諾數Re≈1.5×106，也即SEC管道內的海水流為湍流狀態，根據表1中的3號水力光滑管區摩擦系數計算公式，進行試差得出=≈0.012。根據摩擦壓降的計算公式，GA溝內SEC系統管道的摩擦壓==0.012×≈8.92kPa。根據NEF廠房-7.00mSEC管道平面布置圖及剖面圖。A列貝類捕集器出口至A列RRI/SEC熱交換器入口母管SEC049SP接口處的SEC管道的摩擦壓降的計算如下：管道直徑D=728mm，海水流速=≈2m/s，根據雷諾數計算公式及摩擦系數計算公式，此流速對應的摩擦系數=≈0.011，管道的長度L=（±0m）-（-6.242m）++（2 500mm-750mm）=11.527m。計算==0.011××=0.358kPa。根據NEF廠房±0.00mRRI/SEC管道平面布置圖及管道布置剖面圖，A列RRI/SEC熱交換器SEC側入口母管SEC049SP接口處至熱交換器鈦板入口處的SEC管道直徑D=508mm，管道內的海水流速=2.06m/s，根據雷諾數計算公式及摩擦系數計算公式，此流速對應的摩擦系數=≈0.014，此段管道長度L=758mm/+3 600mm+1 679mm+（1840-450）mm+2×（2 546-653）mm≈11.527m，計算=0.014××=0.874kPa。根據上述計算得出從截面-到截面之間管道的總摩擦壓降：8.92kPa+0.358kPa+0.874kPa=10.152kPa。

（2）中包含的總形阻壓降的計算。從截面-到截面之間管道的形阻壓降計算如下：根據電廠GA溝工藝布置圖，A列SEC管道在GA溝段形成45度彎管處共6處。在完全湍流條件下典型尺寸管件的局部阻力系數計算可應用長徑比（Le/D）當量法進行計算，即形阻系數，=0.012。45度彎管的局部阻力系數=0.012×16=0.192，局部阻力壓降=0.192×=≈0.464kPa，GA溝內A列SEC管道的總形阻壓降=0.464×6=2.784kPa。根據NEF廠房-7.00 m SEC管道平面布置圖及-4.50 m和-7.00 m廠房剖面圖，A列貝類捕集器出口至A列RRI/SEC熱交換器入口母管SEC049SP接口處的SEC管道布置形成45度彎管處1處，90度彎管處2處。45度彎管處的局部阻力壓降為：0.011×16×≈0.362kPa。90度彎管處2處的局部阻力壓降之和為：0.011×30××2≈1.356kPa。則A列貝類捕集器出口母管SEC025SP接口處至A列RRI/SEC熱交換器入口母管SEC049SP接口處的SEC管道的總局部壓降為：=1.356kPa+0.362kPa=1.718kPa。根據NEF廠房±0.00mRRI/SEC管道平面布置圖及剖面圖。RRI/SEC熱交換器SEC側SEC049SP接口處至熱交換器鈦板入口處之間有90度彎管4處，三通連接管一處，蝶閥一個為1SEC201VE。90度彎管處4處的局部阻力壓降之和為：0.014×30××4≈3.663kPa，三通連接管處的局部阻力壓降計算為：0.011×60×≈1.356kPa。取閘閥的長徑比=8計算蝶閥的局部阻力壓降為：0.014×8×≈0.244kPa。則A列RRI/SEC熱交換器SEC側入口母管SEC049SP接口處至熱交換器鈦板入口處之間的總局部壓降為：=0.244kPa+1.356kPa+3.663kPa=5.263kPa。

根據上述計算，從截面-到截面之間管道的總形阻壓降：=++=2.784kPa+1.718kPa+5.263kPa=9.765kPa。

（3）中包含的貝類捕集器進出口壓降。

在功率運行工況下，A列貝類捕集器的壓降取平均值=12.18kPa。根據上述計算，=+=10.152kPa+9.765kPa+12.18kPa=32.097kPa。根據伯努利方程得出備用列RRI/SEC板式熱交換器SEC側的壓力=++-=0.372MPa-0.130MPa+0.240kPa-32.097kPa=0.242MPa-0.032MPa=0.21MPa.g。

因此，根據上述的計算與分析，備用列RRI/SEC板式熱交換器SEC側的壓力0.21MPa.g大于備用列的RRI/SEC板式熱交換器RRI側的壓力0.178Mpa.g，如果備用列的RRI/SEC板式熱交換器存在缺陷或故障，SEC側的海水就會泄漏到RRI系統。而秦山二廠RRI/SEC板式熱交換器泄漏的主要故障模式是泥沙含量較大的海水對鈦板的沖蝕導致鈦板減薄并最終導致鈦板穿孔而泄漏。因此，在RRI/SEC板式熱交換器存在泄漏故障時，SEC側的海水可能就會通過備用列的板式熱交換器泄漏到RRI系統。

5 海水泄漏到RRI系統的危害

漏入RRI系統的海水會隨著備用列RRI泵的啟動運行循環冷卻核島的相關熱交換器，并對核島熱交換器引起可能的腐蝕、結垢從而影響核島重要設備的運行；并影響核島熱交換器的使用壽命；在機組的某些工況下，含有海水等雜質的設備冷卻水可能直接泄漏入一回路導致一回路的放射性水平升高；這些都影響著電站運行的安全和穩定性。

6 防止海水泄漏到RRI系統的預防措施

鑒于RRI＼SEC系統當前的運行方式，備用列熱交換器鈦板兩側的壓力差暫無法改變。為了防止海水可能泄漏到RRI系統備用列引起可能的不良后果，建議采取下述措施。

（1）實施化學監測，以便及時發現泄漏。建議同時對RRI系統處于備用列的RRI介質按照化學和放射性化學技術規范進行定期取樣，尤其是RRI冷卻水中的F-離子，CL-離子含量以及電導率，以便及時發現熱交換器的泄漏并進行檢修。（目前取樣僅針對運行系列實施）（2）對換熱器鈦板實施改進。鑒于目前RRI系統水溫比期望值較低，可考慮更換加厚的鈦板，以進一步降低鈦板泄漏的可能性，提高熱交換器的使用壽命。（3）對熱交換器的薄弱環節橡膠密封墊設置定期的PM預維項目，以防止密封墊片因老化或脫落而導致熱交換器泄漏。（4）對已有的防止熱交換器泄漏的預維PM項目（板式熱交換器清洗，熱交換器板片更換，熱交換器內、外部腐蝕檢查）實施進一步優化以進一步降低鈦板泄漏的可能性，提高熱交換器的使用壽命。（5）加強對設備冷卻水系統（RRI）處于備用列波動水箱的液位監視，以便及早發現泄漏。6）對于新建電廠可考慮將RRI/SEC板式熱交換器換設計成管式熱交換器。

參考文獻

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