板式熱交換器的故障分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)

□朱玉隆

秦山核電二廠4臺機(jī)組為M310堆型，常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)(SEN系統(tǒng))的功能是為常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)(SRI系統(tǒng))提供冷卻水，來自循環(huán)水系統(tǒng)(CRF系統(tǒng))的海水流經(jīng)自動清洗濾水器，再經(jīng)海水升壓泵升壓后，通過SEN/SRI熱交換器帶走SRI系統(tǒng)排出的熱量，并將熱量通過CRF系統(tǒng)排回到大海中。自商業(yè)運(yùn)行以來，SEN/SRI熱交換器故障頻發(fā)，熱交換器板片故障引起SRI系統(tǒng)除鹽水泄漏到SEN系統(tǒng)中，從而導(dǎo)致SRI系統(tǒng)運(yùn)行過程中需頻繁補(bǔ)水、加藥及進(jìn)行板片修理或更換。另外，SRI系統(tǒng)為汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、給水泵等輔助設(shè)備冷卻器提供冷卻水，而SEN/SRI熱交換器的換熱效率不足將影響常規(guī)島這些重要設(shè)備的冷卻和行使正常功能。

一、板式熱交換器結(jié)構(gòu)

SEN/SRI板式熱交換器由傳熱板片、密封墊片、固定壓板、活動壓板、支撐梁、上導(dǎo)軌和加緊螺栓等主要零部件構(gòu)成。傳熱板片是由純鈦板一次壓制成型的長方形板片，相鄰板片相互180°倒置組合后，依次排列在支架上，采用固定壓緊板和活動壓緊板由壓緊螺桿壓緊。每個板片上的四個角孔，組裝后依次疊加形成流體的分流總管，相鄰板片間形成迷宮式流體通道，使換熱介質(zhì)在相鄰?fù)ǖ纼?nèi)逆向流動并進(jìn)行充分的熱交換。

二、故障分析

結(jié)合SEN/SRI板式熱交換器故障特征信息和運(yùn)行工況，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論分析，找出故障頻發(fā)的根本原因。故障模式主要有鈦板減薄/穿孔、鈦板變形、板片密封失效等三類。

(一)鈦板減薄/穿孔原因分析。鈦板減薄/穿孔部位主要位于海水進(jìn)口區(qū)和導(dǎo)流區(qū)。穿孔部位未發(fā)現(xiàn)微裂紋、疲勞輝紋等低應(yīng)力斷裂特征，判斷鈦板穿孔不屬于疲勞損傷。從微觀形貌上看，穿孔周圍區(qū)域鈦板表面粗糙，存在不同程度的減薄，存在尺寸微米或亞微米級密集微坑和局部犁溝等典型磨損特征。通過五種不同含沙量的模擬海水對鈦板的沖刷實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)小的海水泥沙不會造成板間堵塞而使板間局部海水流速升高；但海水較高的含沙量會加大板片沖刷磨損的速率。另外，當(dāng)海水含泥沙等懸浮固體顆粒形成固液兩相流時，鈦板將受到機(jī)械磨損和電化學(xué)腐蝕的共同相互增幅的作用。在兩相流的表面微切削和沖擊碰撞共同作用下，鈦板表面氧化物遭受破壞，裸露鈦基體上重新生成氧化膜，氧化膜破壞和生成的循環(huán)過程導(dǎo)致鈦板減薄直至穿孔。

(二)鈦板變形原因分析。鈦板變形可能導(dǎo)致板式熱交換器密封不良、板片之間流速及流態(tài)變化和接觸點(diǎn)微動磨蝕。板式熱交換器鈦板變形的主要原因可能有：板片整個周長受力不均勻；SEN和SRI側(cè)流體壓力波動大；鈦板剛性不足；鈦板局部支撐不足等，排查如下：第一，規(guī)程中明確了板片整體壓緊尺寸要求，可避免過度壓緊或受力不均而造成板片損傷，且維修記錄顯示不存在過度壓緊情況，基本可排除板片周邊受力不均勻因素；第二，測量正常運(yùn)行期間熱交換器的SEN側(cè)和SRI側(cè)入口的壓力波動，測量值遠(yuǎn)低于流體壓力波動造成板片變形的波動閾值，不存在流體壓力波動大的因素；第三，板片厚度為0.6mm，滿足《板式換熱器用鈦板》(GB/T14845-2007)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.5～1.0mm厚度范圍要求，鈦板可以承受壓差而不會造成撓曲變形；第四，板片組裝后，相鄰板片人字形波紋十字交叉，形成大量的X型接觸點(diǎn)，這些接觸點(diǎn)維持板間距，并具有良好的板片支撐效果，但人字形波紋區(qū)域外其它部位的支撐不良，將導(dǎo)致鈦板局部變形并降低板片撓曲部位的密封墊載荷，降低其密封性。

(三)鈦板密封失效原因分析。板式熱交換器通道口周圍的橡膠密封墊為雙道密封墊，能有效防止不同介質(zhì)相互混流。根據(jù)歷次維修數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析確認(rèn)，SEN/SRI板式熱交換器鈦板橡膠密封墊故障的主要原因是板片多次拆裝導(dǎo)致彈性恢復(fù)性能劣化、鈦板局部變形導(dǎo)致密封墊載荷降低等。

三、設(shè)計(jì)改進(jìn)

(一)熱交換器換型。秦山核電所處杭州灣，海水中懸浮物和泥沙含量高，現(xiàn)行海水流速設(shè)計(jì)值不適合現(xiàn)用板式熱交換器，因此考慮換型。秦山核電一廠于2007年將板式熱交換器換型為折流桿管殼式水-水熱交換器，投運(yùn)至今運(yùn)行情況良好。另外，秦山核電方家山兩臺機(jī)組的SEN/SRI熱交換器原設(shè)計(jì)為折流桿管殼式水-水熱交換器，至今運(yùn)行情況良好。因此，可將SEN/SRI熱交換器從板式更換為折流桿管殼式。

根據(jù)運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)折流桿管殼式熱交換器的參數(shù)。傳熱管設(shè)計(jì)規(guī)格為Ф20×0.6×7,500，數(shù)量為1,860根，殼體內(nèi)徑1,342mm等。經(jīng)計(jì)算，換熱面積裕量η=(F-Fg)/Fg=12%，(F——設(shè)計(jì)換熱面積，F(xiàn)g——計(jì)算換熱面積)說明換熱能力滿足設(shè)計(jì)要求。

海水在管程流動時，如流速過低，則會發(fā)生沙土沉積。當(dāng)流體的速度處于臨界沉積速度Vm2時，在管壁處有可能發(fā)生固體沉積，如果速度大于Vm2時，一般不發(fā)生沉積。

Newitt公式：

g——重力加速度，9.81；d——顆粒直徑；CD——阻力系數(shù)，處于紊流時CD=0.44；S=ρP/ρ，ρP——顆粒密度，海沙密度：2.3t/m3；ρ——液體密度，海水密度：1.1t/m3。

根據(jù)對秦山核電取水口杭州灣的水質(zhì)取樣，取泥沙顆粒最大直徑0.08mm時，Vm2=0.866m/s。因此在流體速度大于0.9m/s時，基本上不會產(chǎn)生沉積堵塞現(xiàn)象，而折流桿管殼式水-水熱交換器的設(shè)計(jì)流速為1.1m/s，即超過泥沙的懸浮速度，因此不會產(chǎn)生沉積現(xiàn)象而導(dǎo)致?lián)Q熱能力不足。

(二)取消SEN海水升壓泵。SEN海水升壓泵為熱交換器提供規(guī)定流量的海水，在運(yùn)行期間也頻繁發(fā)生故障。SEN/SRI板式熱交換器更換為折流桿管殼式后，計(jì)算發(fā)現(xiàn)換熱器的阻力明顯降低。

管程總阻力：△P2=(n2*△P2′+△Pn)*φ2

n2——流程數(shù),1；△P2′——直管段阻力；△Pn——管箱進(jìn)出口阻力；φ2——結(jié)構(gòu)修正系數(shù)，1.5。

△P2′=L*λ管*ρ2*u2^2/di/2，△Pn=0.75*ρ2*u2^2

L——傳熱管長度，7.5m；λ管——摩擦系數(shù)，0.0235；ρ2——冷側(cè)水比重，1,000Kg/m3；u2——管內(nèi)流速，1.1055816；di——傳熱管內(nèi)徑，18.8mm。

經(jīng)計(jì)算，管程總阻力為0.00996947Mpa,說明折流桿管殼式熱交換器的SEN海水側(cè)的阻力非常小。另外計(jì)算SEN側(cè)海水的流量為2,055t/h，已滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，因此可以取消SEN海水升壓泵。

四、結(jié)語

SEN/SRI板式熱交換器更換為折流桿管殼式后，已消除了換熱器故障往外漏水問題。大修中對傳熱管的渦流檢查發(fā)現(xiàn)，傳熱管1年來壁厚未出現(xiàn)明顯減薄跡象。如果出現(xiàn)部分傳熱管壁厚減薄到設(shè)計(jì)值，則可進(jìn)行單根傳熱管堵管，避免傳熱管內(nèi)漏造成SRI系統(tǒng)除鹽水泄漏到SEN系統(tǒng)的海水中。折流桿管殼式熱交換器的鈦管管束直通，不易受堵，適用于較差的海水水質(zhì)。