凝汽器鈦管支撐板處凹陷的形成原因及 處理方法

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(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

圖1 支撐板處凹陷的換熱管分布示意

在凝汽器運行服役期間，為了確保換熱鈦管不出現破損而影響機組運行，通常會在停機期間安排內穿式渦流檢測，以期提早對鈦管存在的缺陷進行處理[1]。而凝汽器鈦管的渦流在役檢測中，出現最多的異常信號是支撐板處的凹陷(DNT)信號。某核電站的一臺冷凝器換熱鈦管使用西班牙Tecnatom公司生產的ETbox2i型渦流儀及EDDYSUN公司生產的EPTNC型bobbin探頭檢測后記錄得到的DNT信號分布結果，如圖1所示。文中DNT信號幅值記錄標準為10 V及以上，該幅值是指渦流檢測信號在阻抗相位圖上的顯示幅值，阻抗相位圖主要包含信號的相位和幅值信息，而凹陷信號相位基本相同，因此文中主要依據信號幅值進行分析；且該渦流幅值是在將直徑為1.7 mm通孔人工設定為8V后、凹陷信號相對于通孔信號人工設定值的相對顯示值，并非接收到的真實渦流信號幅值，從圖1中可以看到DNT信號有以下幾個特點。

(1) 數量多。該水室內一共有9 000余根鈦管，其中近2 000根均存在DNT信號顯示，說明該種類型的缺陷存在較為普遍。經過對多個電站多次渦流檢測結果的粗略統計，通常冷凝器換熱管每次渦流檢測結果中記錄信號的80%以上都是DNT信號，出現比例遠高于其他缺陷。

(2) 幅值高。從圖1中可以看到，幅值超過70 V的鈦管有50根，其中還有1根超過了100 V，在以往的檢測結果中，接近50%的DNT信號顯示幅值在20 V以上，這與其他缺陷信號通常幾伏到十幾伏的顯示幅值相比顯得尤為突出。

(3) 分布具有規律性。從圖1中可以清楚看到DNT的信號是由上至下，順著蒸汽的主要流經區域呈帶狀分布的，但不是所有的蒸汽主要流經區域都存在DNT(如圖1左側)，其他電站冷凝器的DNT分布也呈現出類似的規律。

目前電廠對于存在缺陷信號顯示的鈦管處理方法主要有兩種：一是跟蹤觀察，二是堵管。正因如此，支撐板處凹陷鈦管的處理給電廠業主方帶來了很大的困擾，如果堵管，數量太多，會對凝汽器換熱效率造成影響，如果不堵管，信號幅值又較大，可能會存在安全隱患，故非常有必要對渦流檢測中發現的DNT信號進行系統與深入地研究。

1 形成原因分析

凹陷產生的原因基本上分為兩種：沖擊碰撞造成的局部變形,擠壓造成的較為平緩的變形。對于DNT來說，根據分析其應為擠壓而非碰撞造成，原因如下：

(1) 機組在運行期間，如果支撐板與換熱鈦管之間存在較大間隙而導致鈦管產生振動時，二者才會發生碰撞。但由于支撐板為碳鋼，硬度較高，而鈦管硬度較低，所以在長時間的連續碰撞后應該會使得鈦管產生嚴重的磨損，而非只出現凹陷。對此推論，此前也有過諸多實際的案例報道[2-3]；

(2) 通過在現場多次對大幅值(大于100 V)DNT信號的區域進行內窺鏡檢查，均未發現局部性的明顯變形，而是存在一個類似于環形或半環型的平緩凹陷，如圖2所示(圖片中鈦管中間是渦流探頭，其周圍為凹陷區域)。這也說明了支撐板處凹陷的管壁變化較為平緩，應該是受到擠壓作用而形成的。

圖2 支撐板處環狀和半環狀凹陷的內窺鏡照片

拔出存在DNT的鈦管后觀察發現，有凹陷信號的位置均存在不同程度的管徑減小現象，且有的管徑變化比較平緩，甚至用肉眼較難分辨。對其進行渦流檢測后發現，確實存在較大幅值的凹陷信號。同時發現在與支撐板接觸處的管壁外附著一層黑色物質，對黑色物質進行分析，發現其主要成分為Fe3O4[5]。說明在鈦管與支撐板的接觸處發生了支撐板銹蝕，生成了鐵的氧化物。

因此推測DNT產生原因是支撐板鏜孔內壁發生銹蝕后體積增大，使得鈦管受到向內的擠壓，從而造成了較為均勻的管壁環狀或半環狀內凹，其剖面圖如圖3所示，圖中H為管子被擠壓變形后的凹陷量，L為凹陷變形區域的長度。支撐板鏜孔內發生銹蝕的程度與溫度及濕度有著較為密切的關系，而在冷凝器內部，乏蒸汽則會對這兩個因素產生顯著影響，而從類似于圖1的歷次檢測結果的DNT分布圖來看，支撐板處的凹陷分布與乏蒸汽的主要流經區域吻合程度很高，這也從側面佐證了凹陷的發生與鏜孔內部腐蝕的因果關系。但并不是所有乏蒸汽的主要流經區域都發生了支撐板處的凹陷，從圖1中可見，當次檢測中，右側的DNT比較多，而左側幾乎沒有，并且從圖4(某次冷凝器渦流檢測時DNT所在的支撐板序號分布統計)中可見，DNT是集中分布在某一兩個支撐板上的，這就說明乏蒸汽帶來的溫度及濕度影響只是必要條件而非充分條件，發生DNT變形還與支撐板的狀態有關，具體是支撐板的哪種異常情況會導致DNT的產生,目前還不太能確定，也許和鏜孔與鈦管之間的間隙大小有一定的關系。

圖3 支撐板處凹陷示意

圖4 某次檢測中DNT在各個支撐板上的分布數量

2 危害性分析

對于出現凹陷的換熱管，其潛在的安全隱患包括兩個方面，一是變形會造成應力集中，從而使得力學性能不滿足要求；二是變形會導致鈦管縱向開裂。一般情況下鈦管變形量(即圖3中H，下同)很小(小于1 mm)的時候，特別是環狀凹陷，會形成較大幅值的渦流顯示信號，因此即使是幅值很大的渦流檢測信號，其相應的凹陷變形通過模擬計算后其力學性能是完全可以滿足要求的[4]，而變形導致的開裂情況就比較復雜了。為了初步探究鈦管變形量與縱向開裂之間的相關情況，在文中對應地制備了6根凹陷樣管，其材料為鈦，外徑為22.225 mm，壁厚為0.7 mm。為了更好地模擬現實變形情況，在其中3根樣管上制作了周向360°環狀凹陷，3根樣管上的凹陷均相同，包括5個變形量分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mm的環狀凹陷；另外在3根樣管上制作了周向180°的半環狀凹陷，3根樣管上的凹陷均相同，包括6個最大變形量分別為0.1,0.3,0.5,0.8,0.9,1.0 mm的環狀凹陷。對樣管觀察后記錄凹陷區域的開裂情況(見表1)，變形區域裂紋形態如圖5所示(Y表示開裂，N表示未開裂)。

可以看到，相對于半環狀凹陷，環狀凹陷因為變形期間受力更加集中，更容易開裂，而半環狀凹陷在渦流探頭能通過的前提下(渦流探頭與鈦管內壁的間隙為1 mm)未發生開裂。而且考慮到DNT是受到緩慢的擠壓而形成的，其變形發生得緩慢且平緩；樣管上的凹陷是短時間內通過機械擠壓形成的，變形較為劇烈，相比較而言，同樣的變形量下，真實運行環境下的DNT區域更加不易產生開裂(這也在實際檢測中有所體現，一些不通管的凹陷程度已經達到了探頭無法通過的程度，但實際并未發生開裂)，因此可以初步認為在探頭能通過的前提下，半環狀凹陷不會造成鈦管的縱向開裂。對于環狀凹陷而言，樣管上的凹陷量為0.2 mm時未發生開裂，其對應的渦流檢測幅值均大于280 V，因此可以粗略認為渦流檢測DNT幅值在不大于280 V時不會造成鈦管的縱向開裂；在大于280 V時，可能會造成鈦管的縱向開裂，應采取堵管等相應的處理措施。

表1 樣管凹陷區域開裂情況統計 mm

圖5 人工樣管環狀凹陷處裂紋形態

3 局限性

文中對于支撐板處凹陷的形成和危害性進行了分析，但分析結果在實際工程中的適用性還需具體分析，其在實際檢測中還存在以下局限性。

(1) 支撐板處的凹陷因位置和空間等原因，難以在實際環境中直接觀察和跟蹤，因此文中的成因是依據現有信息推測而得，可能仍然存在疏漏，并且也不能武斷地認為所有支撐板處的凹陷都是由于鏜孔內發生腐蝕而形成的；

(2) 文中的人工凹陷只是對實際情況的模擬，實際工況中凹陷的形態更加復雜，并且變形的平緩程度對渦流檢測的幅值結果(通常使用差分通道信號進行凹陷判定)也可能產生影響，而文中的討論均是在凹陷的變化邊緣(即圖3中L)小于BOBBIN探頭兩線圈間距的前提下進行的，未考慮變形平緩程度對渦流檢測幅值的影響；

(3) 對于不同材料、不同規格的鈦管，同樣凹陷的渦流檢測幅值是可能存在差別的，而文中近似認為當探頭線圈與被檢管內壁間隙相同時，被檢管材料相同(鈦管)、規格相近時，同樣程度凹陷的渦流檢測幅值是相同的。

相較于真實情況，顯然人工凹陷的開裂傾向更大，因此實際工作中使用文中結論作為缺陷處理參考時，應根據實際情況進行決策，如若是火電站或使用淡水進行冷卻的核電站，其處理標準可以相較280 V時更寬松；而對于使用海水冷卻的核電站，其處理標準可根據電站需要適當保守。

4 結論

(1) 根據現有信息分析，支撐板處的鈦管凹陷應是支撐板鏜孔內發生腐蝕后腐蝕產物體積增大，導致鈦管受到向內擠壓而形成的，而支撐板鏜孔是否發生腐蝕是受到乏蒸汽導致的濕度和溫度變化情況以及支撐板的狀態共同影響決定的，當支撐板處形成環狀凹陷時，較小的變形量便會形成較大的渦流檢測幅值。

(2) 當被檢管為鈦管、探頭與鈦管內壁間隙為1 mm時，在探頭可通過的情況下，基于文中的試驗結果可粗略認為，所有的半環形凹陷及渦流幅值280 V以內的環狀凹陷不會產生縱向裂紋，其在實際運行過程中應該是較為安全的。

(3) 應注意到文章結論仍存在較多的局限性，對于凹陷成因的推論仍可能存在疏漏，相比于實際情況，文章也未對變形平緩程度等影響因素進行考慮，故在實際應用中應根據換熱管泄漏的危害程度等實際情況來靈活地采取處理措施。