海水循環(huán)水泵電機(jī)冷卻器設(shè)計(jì)與改造研究

馮海麗

（上海金石索泰機(jī)電設(shè)備有限公司，上海201406）

0 引言

某核電有限公司電站海水循環(huán)泵電機(jī)冷卻器存在失效情況，在經(jīng)過對(duì)原空冷器的水壓試驗(yàn)、實(shí)際查看后，原空冷器兩端水室結(jié)構(gòu)存在缺陷：水室使用板材偏薄，且使用角鋼壓制結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行壓力或內(nèi)外環(huán)境溫度變化達(dá)到一定程度后，水室會(huì)出現(xiàn)脹縮現(xiàn)象，從而會(huì)導(dǎo)致密封面泄露（如圖1），不利于核電長期有效運(yùn)行。為此，通過對(duì)海水循環(huán)水泵的空氣冷卻器滲漏原因進(jìn)行分析了，設(shè)計(jì)了改造方案，使改造后的冷卻器能夠滿足循泵的運(yùn)行要求。

圖1 空氣冷卻器滲漏點(diǎn)

1 空氣冷卻器滲漏原因分析

1.1 循環(huán)水泵電機(jī)空氣冷卻器基本結(jié)構(gòu)

空氣冷卻器屬于“雙管程”換熱器，冷卻海水從下面的入水側(cè)水室進(jìn)入入水側(cè)傳熱管，然后進(jìn)入上水室，水流方向改變一次后，進(jìn)入出水側(cè)傳熱管，再到下面的出水側(cè)水室。其中下面的水室通過水室隔板分成入水側(cè)水室和出水側(cè)水室，如圖2、圖3所示。

圖2 空氣冷卻器管板側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 下面的水室通過水室隔板分成入水側(cè)水室和出水側(cè)水室圖

1.2 空氣冷卻器滲漏原因分析

通過對(duì)內(nèi)窺鏡相片的分析可以看出（如圖4、圖5），冷卻器傳熱管內(nèi)壁表面為馬蹄坑狀形貌，密集處為魚鱗坑狀形貌，坑內(nèi)銅基體明亮光滑，此為典型的水流沖蝕（沖蝕是流體沖刷及沖擊引起的器械及化學(xué)作用的總稱，也稱侵蝕，英文 erosion-corrosion；流體平行金屬表面流動(dòng)引起的破壞為沖刷腐蝕，由于紊流或與金屬表面成一定角度的沖撞作用而破壞的為沖擊腐蝕）作用形成蝕坑形貌。

圖4 傳熱管管口沖蝕形貌

圖5 傳熱管滲漏點(diǎn)附近形貌

傳熱管基體材料為白銅，即銅鎳合金（Cu-Ni），此傳熱管使用的為70/30銅鎳合金，管子內(nèi)壁原涂有茶褐色致密亞鐵離子鈍化膜，該膜為國際上對(duì)銅合金做耐海水腐蝕通用處理方法，一般此膜為幾十個(gè)微米，致密，光滑，電阻率高，對(duì)耐海水腐蝕及電化學(xué)腐蝕有很好的效果，但是對(duì)沖蝕效果不明顯。

同時(shí)結(jié)合業(yè)主提供的設(shè)計(jì)資料，原冷卻器換熱管設(shè)計(jì)材料為白銅。空氣冷卻器發(fā)生海水滲漏的主要是由于換熱管被冷卻海水沖刷腐蝕所致，同時(shí)也存在以下幾個(gè)原因。

1）原冷卻器進(jìn)水處沒有防沖擋板（如圖3），進(jìn)水后直接沖刷管板及換熱管管口，容易產(chǎn)生泄露問題。

2）原冷卻器冷卻管材選用的是銅鎳合金（白銅）管在實(shí)際工況下不能有效抵御冷卻介質(zhì)（海水，表1）的腐蝕，造成了水室內(nèi)部的嚴(yán)重腐蝕。

表1 空氣冷卻器冷卻用海水水質(zhì)

2 改造方案

以下對(duì)冷卻器的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了改造，改用的空氣冷卻器總圖如圖6所示。

圖6 空氣冷卻器總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 改造步驟

2.1.1 空氣冷卻器材質(zhì)選擇

（1）冷卻管、管板及水室材料

原空氣冷卻器換熱管襯管材料為銅鎳合金（白銅）管在實(shí)際工況下不能有效抵御冷卻介質(zhì)（海水）的腐蝕，故只能選用比白銅管更耐腐蝕的管材作為換熱基管。本方案空氣冷卻器換熱管材料擬選用雙金屬軋制復(fù)合翅片管的基管為φ19×0.7 mm厚TA2鈦管。A2鈦材料具有極佳的防海水腐蝕性能[1]，這樣可以滿足業(yè)主對(duì)設(shè)備安全穩(wěn)定可靠的運(yùn)行最基本的要求。

（2）管板及冷卻介質(zhì)直接接觸的其他部位材料

鈦合金具有極強(qiáng)的防海水腐蝕強(qiáng)度，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度及良好的可焊性能[2]。另外鈦管與鈦管板可進(jìn)行微脹與密封焊接，以確保鈦管與鈦管板連接接頭具有足夠的拉脫力和密封性能。所以考慮到原冷卻器曾發(fā)生管板、水室不同程度的腐蝕情況，故我們用管板及其他部位與冷卻介質(zhì)有直接接觸的材料都選用TA2鈦板。

2.1.2 空氣冷卻器進(jìn)出水口結(jié)構(gòu)

設(shè)備安全可靠穩(wěn)定的運(yùn)行需要設(shè)備的材料的合理選擇，也需要結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。

從原空氣冷卻器來看：原設(shè)備內(nèi)冷卻介質(zhì)直接沖擊管板以及管板與冷卻管結(jié)合口處，造成的對(duì)管板和管口端的沖刷腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重；而且各冷卻管管束內(nèi)冷卻介質(zhì)流速也相當(dāng)不均勻，部分管內(nèi)海水流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)流速（1.5 m/s），這使冷卻管內(nèi)壁受到嚴(yán)重的沖刷腐蝕，因此在冷卻器進(jìn)出水口端，也就是前管箱進(jìn)出水管口設(shè)置了擋沖板，如圖7所示。

圖7 水室及擋沖板示意圖

考慮到業(yè)主的實(shí)際供水工況，為防止管口堵塞，考慮了擋沖板為四向出水結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以減少冷卻介質(zhì)對(duì)管板及冷卻管管口的直接沖擊力，又可以使冷卻介質(zhì)通過冷卻管流量、速度分布均勻。這樣不僅提高了設(shè)備的使用壽命，又相應(yīng)提高了換熱效率。

2.2 空氣冷卻器熱容改造

2.2.1 冷卻管改造

考慮到冷卻器結(jié)構(gòu)尺寸不能變動(dòng)的情況，項(xiàng)目組考慮在冷卻管換熱面積和換熱效率改造，所以項(xiàng)目組擬用鈦管+紫銅直翅片管作為冷卻器的新?lián)Q熱管新型冷卻器換熱管同樣選用雙金屬翅片管，其基管為0.7 mm厚TA2鈦管，翅片為T4紫銅，冷卻管外徑為φ41 mm，片距為2.5 mm，每米管長翅片數(shù)為400片，翅片厚為0.3 mm，翅根直徑φ19.8 mm，翅片高為10.1 mm，見圖8。

圖8 金屬翅板

經(jīng)計(jì)算，每米管長換熱面積約為0.857 m2。換熱管數(shù)為60根，有效長度為901 mm，總換熱面積約為46.33 m2。在不改變?cè)泄馨宄叽缜疤嵯拢仍瓝Q熱面積（原換熱面積為35.6 m2）增大了30%多。同時(shí)新管采用了紫銅翅片代替了原來的鋁翅片，而紫銅的熱導(dǎo)效率要遠(yuǎn)高于鋁的熱導(dǎo)效率新?lián)Q熱管的熱導(dǎo)性能，通過驗(yàn)證證實(shí)其熱導(dǎo)性能遠(yuǎn)優(yōu)于原換熱管（B30+鋁翅片管）。根據(jù)已有研究經(jīng)驗(yàn)表明材料由白銅更換為鈦管后，管壁的導(dǎo)熱性能下降十分有限[3]。

據(jù)報(bào)道較高的冷卻介質(zhì)流速會(huì)對(duì)換熱接觸有不利影響（流速過高會(huì)使換熱效果變差）[4]，而且還會(huì)對(duì)冷卻管產(chǎn)生沖刷腐蝕。

2.2.2 空氣冷卻器換熱管容量改變

雙金屬軋制直列翅片管以其高效率換熱效率[5]，已在航空、石化、冶金、電力等眾多行業(yè)中廣泛應(yīng)用。故本次改造將采用直列翅片的雙金屬管型。

原空氣冷卻器換熱管雖然也是采用雙金屬翅片管，但原冷卻管翅片為葉輪型排列，這樣的翅片排列雖然增加管內(nèi)區(qū)域空氣流動(dòng)的紊流，提高了雷偌數(shù)[6]。此次采用了直列翅片管來減小冷卻管對(duì)空氣流動(dòng)的阻力。同時(shí)也對(duì)空氣冷卻器外風(fēng)罩做了結(jié)構(gòu)性改變，這樣減少了風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)壓損失，使空氣流通變的順暢，提高了密閉內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的熱循環(huán)能力。

3 冷卻器改造與應(yīng)用

項(xiàng)目改造完成后（圖9、圖10），經(jīng)過實(shí)際工況測(cè)試，新空氣冷卻器換熱功率為47.5 kW，超過了原設(shè)計(jì)的34 kW，達(dá)到了比原冷卻器更好的換熱效果。此外，改造后的新冷卻器主體外型尺寸和連接尺寸與原尺寸基本保持不變。在冷卻器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中采用了抗震II級(jí)以上的結(jié)構(gòu)和材料。

圖9 改造前循泵電機(jī)空冷器

圖10 改造后整機(jī)圖

4 結(jié)束語

經(jīng)過重新選材，并對(duì)翅片管及水室結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，改造后的新循泵空氣冷卻器和油冷卻器是安全可靠的，能夠滿足循泵的運(yùn)行要求。