某電站再生熱交換器泄漏分析及處理

宋黎明 易學靜

摘 要：某電站調試過程中再生熱交換器發生泄露，本文回顧了泄露事件過程，對泄露原因進行了技術分析，并提出了解決方案。

關鍵詞：再生熱交換器;泄漏;改造

1 引言

再生熱交換器安裝在反應堆廠房，再生熱交換器用于回收下泄流的熱量以加熱上充流，其中下泄流流經換熱器管側，凈化后的上充流流經殼側。

本設備是一臺臥式、U型殼體、U型換熱管式熱交換器。

2 事件過程

2017年，某電站1號機調試期間發現再生熱交換器上人孔法蘭泄露。

隨后，設備供應商確認根據目前掌握情況，不會對法蘭表面和墊片造成損害，可以繼續熱試;并要求業主監測泄露情況。

現場監測發現再生熱交換器泄露增大，機組立即下行，并隨即對泄漏的管側進行隔離，隨后對殼側進行隔離。

機組下行過程中現場對泄露的上人孔法蘭螺栓進行標號;并對管側進行冷態水壓試驗，結果在6.5bar時開始出現滴漏，50bar時，5#，6#，7#，10#，11#，13#螺栓部位出現線性泄漏。

隨后螺栓緊固力測量公司、設備供應商和墊片供應商分別到達現場，檢查發現法蘭蓋中心相比周邊已向背面鼓出最大0.9mm，人孔法蘭面墊片槽外已壓出一個深0.25mm槽，墊片鍍銀層已被沖刷，且沿圓周均勻分部。

經過各方現場檢查、討論，使用新墊片重新緊固后，順利通過水密封試驗。

3 原因分析

經過分析，再生熱交換器出現泄漏的可能原因有墊片缺陷、熱瞬態超出設計值、設備制造缺陷、設備設計缺陷等。

3.1墊片缺陷

現場檢查發現墊片和法蘭接觸面的圓周以及和槽接觸面的上圓周有損壞，隨后對4個備件墊片檢查，發現生銹、微劃痕/銀氧化問題。

如果泄露是由于墊片缺陷導致，則泄露痕跡應該僅體現在墊片缺陷部位，而現場檢查發現泄露痕跡布滿整個法蘭圓周;且墊片缺陷不會導致現場檢查發現的法蘭螺栓緊固力減小以及法蘭蓋變形問題。

因此，判斷墊片損壞發生在泄露之后（由于高壓介質泄露沖擊墊片密封面導致），基本排除墊片缺陷原因導致泄露。

3.2 熱瞬態超出設計值

熱瞬態對再生熱交換器的影響主要取決于溫度變化幅度以及對應的溫度變化率。也就是說，溫度大幅度的突然增加會導致大量殘余應力;如果熱瞬態超出了設備設計中選用的溫度增加值，設備存在塑性變形的風險。相反，如果溫度大幅度的降低會導致法蘭部分緊固力矩的缺失;如果熱瞬態超出了設備設計中選用的溫度減少值，設備存在緊固力矩缺失導致泄露的風險。

根據現場提供的探頭測量的再生熱交換器的溫度記錄數據。經過分析，溫度升高最大幅度為+157.2℃（對應的溫度變化率為+0.19℃/s），溫度升高最大速率為+1.49℃/s（對應的溫度升高幅度為+133.8℃）;對比設備設計考慮的數值，溫度升高最大幅度在設計包絡范圍內，但溫度升高最大速率+1.49℃/s超出了設計數值（+0.70℃/s）。另，溫度降低最大幅度-179.1℃以及溫度降低最大速率-0.18℃/s都在設計包絡范圍內。

為了分析溫度升高最大速率值超出設計數值的影響，供應商委托第三方對整個水室（包含墊片）建立了三維有限元模型，對此熱瞬變水室的緊密型和完整性（考慮+/-10%的緊固力）進行了分析，比較了此熱瞬變和設計數值中熱瞬變的應力水平以及變形量，結論為此熱瞬變狀態下水室的緊密型和完整性滿足RCC-M要求，且不會導致法蘭緊固力缺失以及法蘭蓋變形。因此，基本排除熱瞬態超出設計值原因導致泄露。

3.3 設備制造缺陷

再生熱交換器進行工廠水壓試驗時曾出現滴漏，但保壓30分鐘成功。供應商按規定開啟了外部不符合項，設計方認為水壓試驗壓力是最大設計壓力的1.5倍，條件極高，通過引入第三方計算單位驗證，設計方認可供應商計算報告的建模，同意原樣接受水壓試驗結果，關閉不符合項。

經排查設備制造完工報告，設備制造過程中產生的不符合項均已正常關閉，未發現其他問題，因此基本排除設備制造缺陷原因導致泄露。

3.4 設備設計缺陷

再生熱交換器鍛件采用Z2CN18-10材料，其化學成分及制造、檢驗、驗收按照RCC-M M3301執行。

經核查，設備計算報告中基本許用應力強度值根據實測值得出，而未采用RCC-M附錄ZI 篇的基本許用應力強度值。對法蘭蓋尺寸進行核查，供應商采用有限元法進行計算，法蘭蓋名義厚度為125mm，采用的基本許用應力強度Sm為130MPa， 設計工況裕量為1%;若按RCC-M C3200規范，基本許用應力強度Sm采用RCC-M 附錄ZI的數據94MPa，對法蘭蓋進行計算結果表明厚度應不小于146.8mm。經進一步核查，水室筒體、管板、換熱管、殼程檢查孔和尾部彎頭在進行強度計算或者應力分析時，都存在材料的力學性能未按RCC-M給定值選取的問題。

供應商解釋其采用的鍛件材料是“Z2CN18-10 改進型”，而并不是“Z2CN18-10”，因此RCC-M 附錄ZI的基本許用應力強度值并不適用，而是依據RCC-M 附錄ZIII 211的要求通過計算得出。

但根據RCC-M 附錄 ZIII 110，鑒于“Z2CN18-10 改進型”材料并不是新材料，屈服強度Sy和抗拉強度Su要么根據a）條款規定從附表ZI 2.0/ZI 3.0中選取，要么根據b）條款規定在代表試樣上進行足夠多的試驗后通過統計法獲取。而供應商僅在管板、水室等部件處共選取了10個試樣（其中在泄漏的水室僅選取了4個試樣，每個試樣2組試驗），試驗數據不足夠有代表性。因此，設備設計缺陷是導致再生熱交換器泄露的原因。

4 解決措施

根據原因分析，給出保持法蘭密封結構或者改為焊接結構兩種解決方案。

4.1保持法蘭密封結構

水室原密封結構不變，加厚法蘭蓋以滿足強度、剛度的要求。

1）? 法蘭蓋材料選用Z2CN18-10鍛件，法蘭蓋厚度155mm。

2）? 更換新螺栓并加長。

3）? 螺母、墊圈、C型密封環、水室等均采用原再生熱交換器零部件。

4.2 焊接結構

1）? 使用球形封頭與水室進行對接焊。球形封頭材料選用Z2CN18-10，厚度58mm。

2）? 球形封頭上設置一個窺視孔，用于設備在役檢查。

通過綜合比對技術方案成熟性、密封面泄露風險、日常維護及在役檢查便利性等因素，最終選擇了使用球形封頭焊接結構的解決方案，完成了現場再生熱交換器改造工作，截至目前，再生熱交換器運行良好，無泄漏情況發生。

參考文獻：

1.RCC-M 2007版