核電廠凝汽器傳熱管缺陷處理與分析

□李開盈 王 旭 陳 松 邱 波 王玉彬 李定強

凝汽器是一種大型管殼式換熱器，循環冷卻水通過水室、管板進入換熱管，凝結水側接收來自低壓缸的排汽，這些排汽通過內部流動冷卻水的換熱管表面被冷凝成液體，熱能從蒸汽轉移到循環冷卻水被帶走。要使蒸汽凝結成水，所排出的熱量必須至少等于蒸汽的汽化潛熱，汽化潛熱的大小將取決于凝汽器內部壓力和排汽質量。近年來，國內核電廠發生多起凝汽器傳熱管損傷事件，如凝汽器疏水擴容器減溫水彎頭破口導致傳熱管破損事件、汽機隔熱罩脫焊打擊傳熱管損傷事件等，機組運行過程中，由于傳熱管管口密封焊，脹管區及換熱區的磨損，傳熱管壁厚減薄、傳熱管裂紋或破口等均可能致使凝汽器傳熱管發生泄漏。凝汽器泄漏海水進入凝結水系統，使得凝結水水質超出化學技術規范，引發蒸汽發生器二次側水質惡化，對機組正常穩定運行造成重大影響，嚴重情況下會導致停機停堆。

一、凝汽器傳熱管介紹

該電廠4臺機機組均有3臺凝汽器，每臺凝汽器由結構完全相同的兩列組成，每列內裝有Φ25X0.7mm規格的脹接+密封焊傳熱管，1、2機組共有傳熱管34,800根，換熱面積為35,400m2,3、4機組共有傳熱管35,532根，換熱面積為36,000m2傳熱管均為TAI材質，管板材料均為鈦鋼復合板，海水側水室材料為Q25-A，采用襯膠防腐。

二、凝汽器傳熱管缺陷原因分析

經調研國內各個核電廠凝汽器傳熱管缺陷原因，主要分為以下三類。

(一)凝汽器海側風險源造成傳熱管損傷。由于二次濾網網片破損、陽極塊脫落、海水側泥沙沖刷、異物進入傳熱管等造成傳熱管管口密封焊破損或腐蝕、傳熱管沖刷減薄或穿孔。

(二)凝汽器汽側風險源造成傳熱管損傷。凝汽器汽側異物脫落打擊、汽機通流部件異物脫落打擊，造成傳熱管變形、穿孔或斷裂。

(三)沖刷與振動。特殊工況下管束振動、摩擦或蒸汽沖刷、減溫水沖刷等，造成傳熱管減薄或穿孔。

經分析，該電廠各機組凝汽器傳熱管缺陷原因主要為凝汽器汽側與海側風險源造成傳熱管損傷，如歷史上曾發生過“低壓缸次末級葉片斷裂打擊傳熱管造成泄漏、海水中泥沙沖刷造成傳熱管泄漏、進口水室犧牲陽極脫落造成傳熱管損傷泄漏”等4次降功率或停機事件，目前水室內原設計的犧牲陽極已拆除、二次濾網檢修方式等均已改進優化，在最近幾次機組大修中均已經開展相關風險排查工作，同時不斷優化凝汽器預防性維修大綱及維修規程，從而提升凝汽器設備的可靠性。

三、凝汽器傳熱管堵管策略分析

傳熱管泄漏是凝汽器最常見的失效模式之一，也是國內各核電廠凝汽器泄漏事件的主要原因，而幾乎所有的凝汽器泄漏事件均導致產生了機組降功率或停機事件。針對傳熱管泄漏缺陷，經調研國內各電廠堵管策略，常用的處理方式為用堵頭將缺陷傳熱管兩端封堵，根據堵頭的材質和安裝方式，可將堵管分為以下4種方式。

(一)脹接式封堵。脹接封堵是利用外力，堵頭與缺陷傳熱管內表面緊密接觸，達到密封和固定的效果。常用的脹接堵頭結構如圖1所示，通過緊固端部螺母擠壓中間橡膠膨脹環，達到密封效果。

圖1 脹接封堵示意圖

脹接封堵施工簡便，但其可靠性有待進一步提高，特別是采用非金屬的尼龍或橡膠材料脹接，由于材料老化、螺栓螺母松動等，使傳熱管存在安全隱患。

(二)帶錐度式尼龍堵頭封堵。利用外力將均有一定錐度的尼龍材質的堵頭，打入缺陷傳熱管中，利用堵頭的錐面與傳熱管內表面接觸達到密封效果。

尼龍式堵頭封堵施工較為簡便，堵頭可用尼龍棒直接加工，成本低，快捷方便，缺點在于隨著機組長時間運行尼龍堵頭可能會老化，同時運行中存在沖刷脫落的風險，其可靠性有待進一步提高,如圖2所示。

圖2 帶錐度式尼龍堵頭封堵示意圖

(三)內芯和外套雙結構形式尼龍封堵。堵頭由內芯和外套兩部分組成，均為尼龍材質，內芯的錐度大于外套，靠外力打入缺陷傳熱管達到密封。施工方便，但國內使用的時間較短，其可靠性待驗證；堵頭由國外廠家制造，采購便利性稍差，同時存在老化沖刷的的風險，如圖3、4所示。

圖3 內芯和外套雙結構形式尼龍堵頭示意圖

圖4 內芯和外套雙結構形式尼龍堵頭實物圖

(四)焊接式封堵。焊接封堵的堵頭材質與傳熱管材質相同，一般為鈦材，采用焊接方式將堵頭安裝在缺陷傳熱管兩端，主要依靠焊縫實現密封，焊接封堵的結構形式如圖5所示。與脹接封堵相比，焊接封堵需要在凝汽器水室內實施鈦材質的焊接，工藝較為復雜；其優點是堵頭連接可靠，不易脫落。

圖5 焊接封堵示意圖

(五)凝汽器傳熱管堵管狀況及處理。經統計該電廠4臺機組凝汽器傳熱管堵管數據發現，近年來，隨著機組運行，傳熱管堵管數量一致處于上升趨勢，其中2號機組凝汽器傳熱管堵管數量達59根。

目前該電廠4臺機組傳熱管缺陷均使用帶錐度式尼龍堵頭，對傳熱管進出口兩端進行封堵處理，具體處理方案為將管口清理干凈后，用橡膠錘將錐形堵頭打入管口內，用力打實，堵頭露出管板不超過5mm即可，橡膠堵頭如下所示；

該方案的優點在于尼龍堵頭可直接加工，快捷方便、成本低，缺點在于隨著機組長時間運行尼龍堵頭可能會老化，同時運行中存在沖刷脫落的風險，可能產生凝汽器泄漏事件，因此目前每一次機組大修都會對所有堵頭數量、堵管位置、緊固性進行核實檢查，確保堵管可靠，保證凝汽器的正常運行。

圖6 帶錐度式尼龍堵頭尺寸圖示

圖7 帶錐度式尼龍堵頭實物圖

圖8 堵管后實物圖

四、凝汽器傳熱管缺陷堵管方式對比分析

五、關于核電廠凝汽器傳熱管缺陷處理方案的建議

截止2020年，該核電廠4臺機組已運行多年，從機組投運凝汽器役前檢查開始，便有傳熱管堵管事件發生，隨著機組運行，尼龍材質的堵頭有老化開裂和沖刷脫落的風險，通過對比國內各核電廠凝汽器傳熱管堵管方案，結合目前該電廠四臺機組的堵管情況，建議對凝汽器傳熱管堵管策略進行優化：一是針對凝汽器渦流檢查時發現的不通管，疏通后仍無法通過，建議使用尼龍堵頭進行封堵，后續每次大修進行跟蹤檢查，確保無松動；二是針對砸傷變形的傳熱管，若輕微變形，無碰撞風險，經內窺鏡檢查、PT無異常后，建議使用尼龍堵頭進行封堵，后續每次大修跟蹤檢查，確保無松動；若變形嚴重，有碰撞摩擦或開裂風險，建議拔管，再使用鈦堵頭焊接封堵；三是針對渦流檢查發現的沖刷減薄傳熱管，達到堵管標準的，建議使用鈦材質堵頭焊接封堵，后續大修檢查傳熱管外壁有無進一步沖蝕嚴重；四是針對穿孔或斷裂的傳熱管，建議直接拔管，安裝假管，鈦堵頭焊接堵管；五是針對密封焊磨損，若磨損痕跡寬度超過焊縫寬度50%，則補焊處理,無損檢測合格；補焊不合格，則建議使用鈦堵頭封堵；六是針對密封焊腐蝕，對腐蝕密封焊進行無損檢測，若無損檢測不合格，則補焊處理，無損檢測合格；若腐蝕嚴重，建議直接拔管，安裝假管，使用鈦堵頭焊接堵管。

表1 凝汽器傳熱管缺陷堵管方式對比分析

針對缺陷傳熱管，需根據實際情況，對周邊傳熱管進行內窺鏡檢查、渦流檢查等，確保無異常狀況，同時對已經使用尼龍堵頭封堵的傳熱管，定期進行全面更換，每次大修對所有堵頭數量、堵管位置、緊固性進行核實檢查，確保堵管可靠，保證凝汽器的正常運行，從而確保機組的安全穩定運行。

六、結語

凝汽器作為核電站二回路的SPV設備，對于核電站機組的正常生產運行起著至關重要的作用，凝汽器的可靠性直接影響核電機組的可靠性。針對核電廠凝汽器傳熱管缺陷的原因進行相關改進，可以優化電廠凝汽器設備的管理。