RCW熱交換器管板/傳熱管缺陷分析及應對措施

尤益輝 胡勝

【摘 要】RCW系統為電站反應堆廠房、輔助廠房、汽輪機廠房內包括慢化劑和停堆冷卻器等幾乎電站所有系統和設備的熱交換器提供高質量的冷卻水。RCW熱交換器由于各種原因，管板/傳熱管產生沖蝕、銹蝕和穿孔等缺陷，傳熱管一旦泄露將降低系統換熱效率以及設備可靠性，進而影響著電站的穩定運行。本文深入分析管板/傳熱管缺陷產生的原因，并對其失效機理進行研究。最后從生產實際出發，提出針對RCW傳熱管缺陷的應對措施，包括采用高分子涂層、加裝尼龍套管和改變管板連接方式等措施。在一定程度上降低缺陷管產生，保證機組安全穩定運行。

【關鍵詞】RCW熱交換器;鈦管;連接方式;脹接;焊接

中圖分類號： TQ051.5文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）02-0248-002

【Abstract】The RCW heat exchangers are the critical equipment of the power plant. The titanium tubes and heat exchanger tubes were corroded and plugged for some reason， which influenced the safety of the power plant. This paper deeply analyzed the reasons and failure mechanism of the tubes. Some measures were provided to deal with these defects from the viewpoint of the production practice in the end of this paper， which reduced the tube defects to some extent and ensured the plant run safely.

【Key words】The RCW Heat Exchanger; Titanium tube; Joint; Expanding; Welding

0 引言

RCW系統為電站反應堆廠房、輔助廠房、汽輪機廠房內包括慢化劑和停堆冷卻器等幾乎電站所有系統和設備的熱交換器提供高質量的冷卻水，RCW系統的熱量通過RCW熱交換器由海水帶走。RCW熱交換器由美國YUBA公司設計和制造[1]，為單流程管殼式熱交換器，管殼側介質分別為海水和除鹽水，設計壽命為40年，其主體結構如圖1所示。

每臺熱交換器內置4932根鈦管，管長14630mm、管徑19.05×0.71mm、材質為ASTM B338 Gr.2級焊接薄壁鈦管。管板為鈦-碳鋼復合板，厚度78mm;其中鈦層厚度8mm、材質為ASME SB265 Gr.1標準鈦板。RCW熱交換器每根鈦管均以材質為碳鋼的12塊支撐板和11塊折流孔板支撐固定，管子兩端由管板固定。管板與鈦管之間采用脹接工藝，管板開有兩道脹管槽，無密封焊[2-7]。

機組投運以來，RCW熱交換器陸續出現管板、傳熱管破損和泄漏等缺陷。在每年進行的檢查中發現缺陷管以及堵管數量不斷增加，其中個別RCW熱交換器的堵管數量已接近設計限值（5%）。RCW熱交換器面臨降級風險，機組核安全配置的可靠性也受到威脅。

本文在已有的工作基礎上，探討和分析傳熱管缺陷產生的原因，并對其失效機理進行研究。最后提出針對RCW傳熱管缺陷的應對措施，在一定程度上降低了缺陷管產生。

1 RCW熱交換器管板及傳熱管缺陷分析及應對措施

1.1 管板缺陷分析及應對措施

RCW熱交換器每年都需要進行開蓋檢查，檢查結果表明8臺熱交換器的進出口管板均有不同程度的沖蝕、銹蝕和穿孔，大量鈦管入口及脹管區凹陷、破損、穿孔，如圖2所示。

1.1.1 物理化學成因及應對措施

（a）原因分析

由于長時間的在海水浸泡，襯膠不斷老化，出現不同程度脫落。而脫落的膠皮貼附在管板上，造成管板局部區域紊流嚴重，導致管板沖蝕損壞。同時，海水在進水口一般會攜帶著異物（如石子、脫落的砂漿等）碰撞管口，造成管口變形或缺失。隨著海水的沖刷，缺陷逐漸擴大，進而造成管板破口。同時海水在進水口產生漩渦紊流、渦流，表面剪切應力大大增加，導致鈦表面鈍化膜剝離、脫落。

化學腐蝕（電偶腐蝕、縫隙腐蝕）對管道的影響是極大的。由于管板和傳熱管之間管板與鈦管之間采用強度脹連接（未密封焊），管間細微縫隙毛細作用使海水滲入，同時鈦與碳鋼兩者電位差很大，很容易引發電偶腐蝕和縫隙腐蝕。生產的腐蝕產物堆積擠壓，隨著鈦管內壁腐蝕減薄逐漸導致鈦管破裂。

（b）應對措施

（1）采用密封焊。根據初步文獻調研，復合管板或一側有腐蝕性介質，特別是復合層厚度在3～10mm之間時管板與鈦管的連接均應采用密封焊來防止電偶腐蝕和間隙腐蝕。另據文獻所述，Gr.2的鈦材不耐間隙腐蝕且鈦材有加速其它金屬電化學腐蝕的傾向。同時，電站設計采用的海生物殺生劑是次氯酸鈉，鈦在鹵素離子溶液中較易產生間隙腐蝕。因此通過采用密封焊來防止電偶腐蝕和間隙腐蝕。

（2）使用高分子涂料。為保護管板，對熱交換器進出口管板使用高分子涂料填充鈦管和管板的縫隙以消除縫隙腐蝕（涂料厚度3～5mm），并使填補材料與鈦管口平齊以減少管板表面紊流和防止沖擊破壞，還對磨損的管板和管口損壞進行了修形。后考慮高分子涂層去除困難，會影響后續的換管，調整為對損壞嚴重的入口管板涂覆高分子涂層，而出口側管板和損壞輕微的入口側管板則采用橡膠涂層防腐。

1.1.2 傳熱管安裝工藝成因及應對措施

（a）原因分析

RCW熱交換器傳熱管安裝工藝中有兩個重要工藝對換熱器傳熱管使用壽命產生重要影響。一個是：換管過程中的脹管工藝（欠脹或過脹），另一個是：管接頭聯接方式（只進行脹接但無焊接）。

（b）應對措施

（1）控制壁厚脹度。鈦管欠脹將導致在管子與管板連接處出現不足的塑性流動，從而這將導致泄漏。過脹將導致管板過大的變形，引起相鄰管子支撐作用減弱，引起過大的管板徑向膨脹或管子出現加工硬化。為了避免鈦管出現欠脹或過脹，應控制管壁脹度在5%～10%內。

通過對脹度的有效控制，可以避免鈦管在安裝過程中出現欠脹或過脹，從而提高了RCW熱交換器傳熱管管板耐腐蝕性能，延長了管板的使用壽命。

（2）采用強度脹+密封焊連接工藝。運行實踐和相關分析表明，鈦管與管板之間由于未進行密封焊而發生了電偶腐蝕和縫隙腐蝕。析氫還原反應產生氫鼓泡，管壁出現微突起，在泥沙海水沖刷磨損下導致了鈦管破裂。因而在更換RCW熱交換器傳熱管時，宜采用強度脹+密封焊連接工藝。

1.2 鈦管減薄、泄漏原因分析及應對措施

下圖是對RCW熱交換器部分沖蝕嚴重的鈦管進行切割分析，可以看出管道內部出現凹坑，穿孔以及劃痕等缺陷，見圖3。

（a）原因分析

鈦管減薄、泄漏缺陷主要發生在管板至第一塊支撐板之間。經多次拔管取樣研究分析，確認鈦管材質、力學性能、焊縫質量等均合格，認為可能的原因是含有泥沙等雜質的高速流動的海水沖刷腐蝕導致[9]。

為了進一步證實介質流動速度對管道腐蝕的影響，研究人員利用有限體積法對貝殼堵塞后的鈦管內流場進行了數值模擬。結果表明：鈦管內流速最高可達15m/s，如圖4所示。此時高速微粒（如泥沙）磨削的速率，大于鈦氧化膜的再生速率，鈦表面就會發生明顯的沖蝕磨損。

綜上所述：流速偏高且含沙量較高的海水對鈦管的沖蝕加快了管壁減薄速率。電站熱交換器管側設計流速為2.7m/s，是其他電站（0.43m/s）的6倍，而循環海水（RSW）泵的實際流量比設計流量超出15%，因而實測流速最高達3.3m/s。而對于流速超過3m/s時，為保證設備安全應在入口設計防沖蝕磨損（下轉第237頁）（上接第249頁）的導流筒或防沖板，而RCW熱交換器無此設計。同時，隨著大量堵管和加裝尼龍套管，管側流速還會持續增大。

（b）應對措施

為減小鈦管沖蝕磨損，在RCW熱交換器出口安裝節流裝置并優化設備運行模式來適當降低管側流速。為確保系統設計流量，節流裝置設計以RCW熱交換器的海水側差壓為改造依據。

2 總結與展望

通過RCW熱交換器傳熱管失效機理的研究，掌握了換傳熱管缺陷產生的原因以及應對措施，為確保RCW熱交換器的長期安全穩定運行提供了保障。對凝汽器、高低加、軸封冷卻器等電站重要熱交換器的傳熱管缺陷分析工作起到參考和指導作用。

【參考文獻】

[1]TEMA 88《管殼式換熱器制造商協會標準》.

[2]ASTM B338-2007《冷凝器和熱交換器用無縫及焊接鈦與鈦合金管》.

[3]GB/T3625-1995《換熱器及冷凝器用鈦管及鈦合金管》.

[4]GB151-1999《管殼式熱交換器》.

[5]ASME BPVC Sec VIII-1-2004《壓力容器建造規則》.

[6]楊振國《核電裝置換熱器傳熱鈦管的失效分析及其解決對策》.

[7]錢頌文《換熱器設計手冊》.

[8]T.Kuppan《換熱器設計手冊》.

[9]柴成文，路民旭.濕氣管道的頂部腐蝕與防護對策[J].腐蝕與防護，2007（4）：167-170.

[10]陳匡民.過程裝備腐蝕與防護[M].北京：化學工業出版社，2007.

[11]唐炯然.流速加速腐蝕引起的碳鋼管壁減薄[J].核科學與工程.2001，21（2），189-192.