核電廠凝汽器傳熱管檢漏技術(shù)研究進展與挑戰(zhàn)

蘇州天河中電電力工程技術(shù)有限公司 王金龍 楊 杰 肖曉南

1 凝汽器

凝汽器（又稱冷凝器），是汽輪機組的重要設(shè)備，在核電廠凝氣式汽輪機組的熱力循環(huán)中起著冷源的作用。從熱交換角度看，凝汽器是表面式熱交換器的一種。在汽輪機內(nèi)做完功的蒸汽進入凝汽器，蒸汽在凝汽器管束外表面凝結(jié)成水，放出汽化潛熱；管束內(nèi)的冷卻水在管內(nèi)流動，把汽化潛熱帶走。凝汽器的主要部件包括橡膠膨脹件、管板、管束、水室和熱井等。以國內(nèi)某核電廠為例[1]，一臺機組有3臺凝汽器，每臺凝汽器有兩組獨立的管束，每組有6808根有縫焊接鈦管，外徑25.4mm，壁厚0.711mm，長16700mm，呈手掌形分布。凝汽器的核心功能為與抽汽系統(tǒng)一起為汽輪機建立和維持真空；把在低壓缸內(nèi)做完功的蒸汽冷凝成水；接收各疏水箱來的疏水和不凝結(jié)氣體，回收和貯存潔凈的凝結(jié)水，對凝結(jié)水進行初步除氧后，為動力循環(huán)提供給水。

2 凝汽器泄漏

長期以來，凝汽器泄漏一直困擾各國核電運營商。根據(jù)美國核電運行研究所（INPO）統(tǒng)計[2]：2008年1月至2012年12月，美國境內(nèi)收到涉及凝汽器冷卻水內(nèi)漏造成發(fā)電損失的事件報告84個，共造成約26億KWh的發(fā)電損失，相當于1臺900MW機組4個月的發(fā)電量。其中，71個事件涉及降功率，包括：2次緊急停堆，2次強迫停堆，3次大修工期延長，2次機組啟動延遲，4次機組爬升功率延遲。圖1顯示2008年至2012年，凝汽器冷卻水內(nèi)漏事件統(tǒng)計趨勢和相關(guān)發(fā)電損失趨勢。盡管期間每年事件數(shù)量有所波動，但兩個總體趨勢均反映了凝汽器傳熱管性能的逐步惡化情況。

圖1 美國境內(nèi)核電廠凝汽器冷卻水內(nèi)漏影響機組運行事件統(tǒng)計（2008-2012）

2.1 凝汽器泄漏的分類及其典型特征

凝汽器泄漏大致可以分為兩類：冷卻水內(nèi)漏（傳熱管完整性失效）和空氣內(nèi)漏（真空邊界完整性失效）。核電機組選址多在沿海地區(qū)，使用海水作為凝汽器的冷卻水。機組運行階段，凝汽器的殼側(cè)（蒸汽側(cè)）處于高真空狀態(tài)；當凝汽器傳熱管發(fā)生泄漏時，海水將直接漏入凝結(jié)水中。出現(xiàn)的第一個現(xiàn)象就是凝結(jié)水電導率上升，蒸汽發(fā)生器（SG）給水電導率也將隨之上升。凝汽器空氣內(nèi)漏的典型特征為背壓升高，并伴有凝結(jié)水氧含量快速上升；背壓升高將導致汽輪機出力下降，氧含量超標則會加速二回路泵和換熱器等設(shè)備的腐蝕速度，縮短設(shè)備的使用壽命。

2.2 凝汽器傳熱管泄漏的危害

凝汽器傳熱管泄漏危害眾多。對熱力系統(tǒng)汽水品質(zhì)的危害：凝汽器傳熱管泄漏是核電廠汽水品質(zhì)不合格的主要原因。對熱力系統(tǒng)設(shè)備的危害：凝汽器傳熱管發(fā)生泄漏時，即使少量的海水進入到凝結(jié)水中，也將惡化凝結(jié)水水質(zhì)，造成給水硬度偏高，從而導致管壁的結(jié)垢和腐蝕。對核電機組運行的影響：當凝汽器發(fā)生較大海水泄漏時，假設(shè)精處理系統(tǒng)沒有投運，海水會很快進入SG，從而導致SG水質(zhì)惡化。當海水的泄漏率約40L/h，1h內(nèi)SG水中鈉離子就可以達到500PPB從而要求機組直接停堆。對核電廠運行業(yè)績的影響[3]：世界核營運者協(xié)會（WANO）擁有著一整套指標體系來對世界各個核電廠的運行業(yè)績進行評估排名，化學指標就是其中之一。

2.3 凝汽器傳熱管泄漏的處理邏輯

凝汽器傳熱管泄漏后，凝結(jié)水的水質(zhì)開始惡化。電廠將給水的全部流量投入凝結(jié)水精處理系統(tǒng)，對凝結(jié)水進行凈化處理。凝結(jié)水精處理系統(tǒng)對凝結(jié)水的處理能力是有限的，當海水泄漏量大于凝結(jié)水處理系統(tǒng)的處理能力后，SG排污水的水質(zhì)惡化，機組運行可能進入圖2所示5區(qū)狀態(tài)[4]。在此情況下，應(yīng)立即停機進行查漏和堵漏。當海水泄漏量較小時，蒸汽發(fā)生器排污水的水質(zhì)變化未能使機組進入5區(qū)的運行狀態(tài)。這種情況下，機組將降功率運行，停運發(fā)生泄漏的凝汽器管束對應(yīng)的循環(huán)水泵，機組降功率后讓凝汽器單側(cè)運行。在凝汽器單側(cè)運行狀態(tài)下，對凝汽器進行查漏和堵漏。

圖2 國內(nèi)某核電廠蒸汽發(fā)生器水質(zhì)運行控制圖

3 凝汽器傳熱管檢漏方法與比較

國內(nèi)外凝汽器傳熱管檢漏方法有很多種，傳統(tǒng)的有蠟燭法/煙氣法、灌水法、泡沫法、薄膜覆蓋法、單管充壓/真空法，先進的有超聲檢漏儀法、柔性堵頭法、紅外成像法、示蹤氣體檢漏法等。

3.1 常規(guī)檢漏方法

3.1.1 蠟燭法和煙氣法

最早使用的方法，比較原始，常用于凝汽器運行中停用半側(cè)檢漏。利用這種方法查找泄漏傳熱管時，可將凝汽器一側(cè)的冷卻水排放掉，停止工作，借助點燃的蠟燭或發(fā)煙裝置檢查管板，根據(jù)火焰搖曳或煙向管道偏斜的程度判斷傳熱管是否泄漏。

這種方法靈敏度差，水室內(nèi)的空氣流動對檢測干擾比較大，而且工作環(huán)境惡劣。另外，對于不準使用明火的工作場地，這種方法就不能夠使用。

3.1.2 灌水法

傳統(tǒng)的停機檢漏方法和工程階段凝汽器傳熱管密封性試驗方法。首先向凝汽器汽側(cè)灌入軟化水，然后觀察管板。如有泄漏的傳熱管，則管口處就有明顯的滲流水跡。

灌水法難以查找微小的泄漏，因為管板是潮濕的，微小的滲水往往難以辨認出來。有時候管內(nèi)會有少量積水，也可能傳熱管內(nèi)的沉積物使水不容易排出，都會形成似漏非漏的現(xiàn)象，增加了辨認的難度。為了提高灌水查漏的靈敏度，現(xiàn)場有時候在水中添加染料（如熒光劑等），使工作人員易于辨認管中滲出的水跡，但依然解決不了微小泄漏難以辨認的問題。

3.1.3 泡沫法

常用于凝汽器運行中停用半側(cè)檢漏。打開已停用的凝汽器半側(cè)水室端蓋，將已配好的泡沫劑涂抹或噴涂在管板上，泡沫同時將傳熱管兩端口密封。傳熱管密封時，管口處就建立起一層泡沫膜，不會很快消失或移動；傳熱管泄漏時，管內(nèi)氣壓慢慢降低，泡沫開始向管內(nèi)移動甚至消失。

相關(guān)實驗證明，管外真空度為500mmHg時，傳熱管上存在Φ0.2mm漏孔時，泡沫在1-2s內(nèi)有明顯移動。但是檢查之前必須去除管內(nèi)的存水，管板和環(huán)境溫度必須在10-38℃以內(nèi)，操作相對受限，靈敏度也不高。

3.1.4 薄膜覆蓋法

在機組低負荷時，停用半側(cè)凝汽器，用塑料薄膜將進出口水室的管板覆蓋。若某根傳熱管泄漏，則該處的薄膜就向管口內(nèi)下凹。所用的薄膜要求質(zhì)薄、柔軟、不易破裂。但也存在不少問題。例如，某些凝汽器伸出管板的管端長度不完全一致；泄漏傳熱管已經(jīng)被堵頭封堵，堵頭突出管板的長度不等，都給大塊塑料薄膜封蓋管口帶來困難。

3.1.5 單管充壓/真空法

使用專用工具將被檢傳熱管兩端封堵后，進行充壓/抽真空，保壓期間使用壓力表/真空計監(jiān)測管內(nèi)壓力/真空度變化。密封傳熱管的壓力/真空度變化很小或者無變化。這種方法適用于少量疑似泄漏傳熱管的確認檢查，不適合批量檢查。

3.1.6 超聲波檢漏儀法

基本工作原理是：凝汽器傳熱管發(fā)生泄漏時，空氣通過漏孔進入蒸汽側(cè)時會發(fā)出連續(xù)的超聲波信號。漏孔較小時，超聲波頻率可達35-45kHz。通過超聲波檢漏儀，將高頻聲轉(zhuǎn)變?yōu)榭陕犅暎箿y試人員能從耳機中收到故障發(fā)出的信號。信號還可以從儀器上顯示出來。采用這種方法，要求有高靈敏度的超聲波檢漏儀，需要具備濾頻、靈敏度調(diào)整、模式選擇等功能。

這種方法雖然在理論上和實驗室具有很高的靈敏度，但是需要操作人員具有豐富的經(jīng)驗，才可以分辨出漏點的信號和本底信號。現(xiàn)場應(yīng)用時，由于背景噪聲比較嚴重，給判斷信號帶來很大的難度。

3.1.7 柔性堵頭法

INPO報告稱，柔性堵頭法是目前靈敏度最高的泄漏傳熱管定位方法之一，可發(fā)現(xiàn)＜1加侖/天的泄漏量。通常情況下，它的靈敏度高于He檢漏和SF6檢漏。柔性堵頭法多次成功檢出He檢漏和SF6檢漏無法檢出的泄漏傳熱管。然而，這種方法也有很大的局限性。除了逐個塞入傳熱管兩端費工費時外，對于傳熱管與管板連接焊縫的泄漏它也無能為力。

3.2 紅外成像檢漏方法

紅外線是波長在0.76-1000μm之間的電磁波。自然界的一切物體都輻射紅外線，但溫度高低不同的材料輻射強度也不同。

當打開凝汽器水室后，泄漏的傳熱管吸入冷空氣而被冷卻，因此其溫度要比其他管束低。當使用高靈敏度的紅外熱像儀對凝汽器管板進行掃描時，管板的熱相圖上將出現(xiàn)一個冷點；密封的傳熱管，在掃描器屏幕上顯示白色；泄漏的傳熱管，在掃描器屏幕上顯示不斷增長的黑影。用這種方法查漏，可大大縮短凝汽器停用時間。美國多家核電廠均有成功應(yīng)用案例，檢漏時間由原來的數(shù)天縮短為幾小時，最快的紀錄是用5分鐘完成1/4臺凝汽器的檢查。

3.3 示蹤氣體檢漏方法

目前，示蹤氣體檢漏法是凝汽器傳熱管離線泄漏檢測中最常用，同時也是靈敏度較高的方法。根據(jù)示蹤氣體的不同，可以分為氦（He）檢漏法和六氟化硫（SF6）檢漏法。

核電廠凝汽器管側(cè)基本均為雙通道單流程。當二回路水質(zhì)惡化后，可根據(jù)每個通道凝結(jié)水收集盤上電導率測量裝置判斷發(fā)生泄漏的凝汽器及其通道。但是漏孔較大且漏孔位于管束外層時，漏入殼側(cè)的循環(huán)水可能由于噴濺而進入相鄰通道，從而給判斷帶來困難。此時需要使用示蹤氣體整體檢漏法來確定泄漏通道。在確定泄漏通道以后，對其進行隔離，使汽輪機在凝汽器半邊投運的工況下運行，然后使用“逐漸排除法”找出泄漏傳熱管所在位置[5]：在凝汽器一端按照事先劃定的區(qū)域注入示蹤氣體法，如果被檢區(qū)域管束泄漏，在殼側(cè)真空作用下，一部分示蹤氣體會通過泄漏點從管側(cè)進入殼側(cè)，并與其它非凝結(jié)氣體一起通過真空泵排入核島廢氣處理系統(tǒng)。在排入廢氣處理系統(tǒng)之前，用示蹤氣體法檢測儀進行取樣分析，從而逐步找出泄漏管束所在位置。為了避免氦氣在凝汽器內(nèi)回流擴散造成區(qū)域間的相互污染，注入的氦氣必須隨時從凝汽器另一端排至汽機運行平臺或常規(guī)島廠房外。

3.4 現(xiàn)有檢漏方法比較

蠟燭法和煙氣法，靈敏度極低、成本低，機組狀態(tài)降功率，實施難度是因為其為最原始的方法，目前基本不再使用；灌水法，靈敏度低、成本低，機組狀態(tài)停機，實施難度是完全停機狀態(tài)下使用，用于水壓有限，很難檢查較小泄漏；泡沫法，靈敏度低、成本低，機組狀態(tài)降功率，實施難度其無法確定較小的泄漏；薄膜覆蓋法，靈敏度低、成本低，機組狀態(tài)降功率，實施難度為無法確定較小的泄漏；柔性堵頭法，靈敏度極高（＜1加侖/天），成本中，機組狀態(tài)降功率，實施難度因該方法為國外企業(yè)專利產(chǎn)品，國內(nèi)尚未使用；超聲波檢漏儀法，靈敏度中、成本中，機組狀態(tài)降功率，實施難度因受周圍環(huán)境干擾大，對操作人員要求高；單管充壓/真空法，靈敏度中、成本中，機組狀態(tài)降功率，實施難度單管逐一檢漏，時間較長；紅外成像檢測法，靈敏度中、成本中，機組狀態(tài)降功率，對于較大泄漏引起管板傳熱管口溫度降低的泄漏可快速檢出；He檢漏法，靈敏度高、成本中，機組狀態(tài)停機或降功率，實施難度檢漏過程中氦氣濃度逐漸升高等問題影響檢漏靈敏度；SF6檢漏法，靈敏度極高（極限1加侖/天），成本中，機組狀態(tài)停機或降功率，其為美國核電廠普遍采用的檢漏方法；渦流檢測法靈敏度中、成本高，機組狀態(tài)停機，實施難度為停機狀態(tài)下單管逐一檢查，對貫穿性缺陷檢出率低。

4 凝汽器傳熱管檢漏面臨的挑戰(zhàn)

目前，國內(nèi)核電廠主要按照內(nèi)部程序使用薄膜覆蓋法和He檢漏法進行凝汽器傳熱管應(yīng)急查漏。薄膜覆蓋法檢漏靈敏度較低，適用于大破口泄漏的檢查，對于管板密封焊縫位置存在檢測盲區(qū)，而且受管板表面狀態(tài)的影響較大。He檢漏法較薄膜覆蓋法的檢漏靈敏度有較大提高，但空氣中的He本底限制了其檢漏靈敏度極限。

國內(nèi)核電廠凝汽器傳熱管檢漏技術(shù)與國際先進水平尚有差距，面臨諸多挑戰(zhàn)。

4.1 檢漏技術(shù)導則有待建立

以美國為例，美國電科院（EPRI）針對凝汽器檢漏發(fā)布了多份技術(shù)導則，既有總體的凝汽器內(nèi)漏導則，也有針對特定檢漏方法的應(yīng)用導則，形成了覆蓋全面、可操行性強的技術(shù)導則體系，對于現(xiàn)場檢漏具有極強的指導作用。

4.2 檢漏靈敏度亟待提高

He檢漏法是當前國內(nèi)凝汽器傳熱管檢漏中靈敏度最高的方法，達到PPM量級，可滿足大部分現(xiàn)場需求，但也面臨有時傳熱管微漏難于檢出、空氣內(nèi)漏難以定位的問題。美國核電廠較普遍采用的SF6檢漏法，檢漏靈敏度達到PPB量級，較國內(nèi)提高了1000倍，較好的解決了上述問題。

4.3 檢漏效率尚有較大提升空間

現(xiàn)有國內(nèi)主流檢漏方法準備和實施過程較復雜，檢漏時間較長。國外多家核電廠均有新型檢漏技術(shù)成功應(yīng)用案例，檢漏時間由傳統(tǒng)的數(shù)天縮短為幾小時，大幅提高了檢漏效率，降低了發(fā)電損失，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。

4.4 模擬試驗/培訓平臺處于空白

凝汽器應(yīng)急查漏實踐性很強，主要依靠現(xiàn)場力量實施，各個核電廠的技術(shù)和經(jīng)驗儲備參差不齊，尤其是新建核電基地，需要加強人員培訓，提高實戰(zhàn)能力。同時，新技術(shù)、新裝備直接應(yīng)用于現(xiàn)場應(yīng)急查漏，試錯成本太高，需要模擬試驗平臺進行充分測試和能力驗證。