冷凝器换热管泄漏事件分析

刘影恬　袁胜涛　陈光　许丛

摘 要：某电厂突发冷凝器钛管泄漏事件，通过覆膜查漏、涡流检测、内窥镜检查等一系列手段找到漏点。数年前国内另一电厂已发生类似事件，分析为流体弹性不稳定引起的管束振动，长期振动造成疲劳，甚至钛管间相互发生碰磨，最终导致断裂。为减少该类事件的发生，电厂已采取了一系列的防范措施。

關键词：冷凝器钛管 泄漏 涡流检测 流体弹性不稳定震动 防范措施

中图分类号：X933.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（c）-0101-02

Abstract：A sudden leakage of condenser titanium tube happened in a power plant. Leak source was found by a series of testing such as film， eddy current testing and endoscope. A few years ago there had been a similar event in another power plant. In its report， tube vibration caused by the fluid elastic instability. Long-term vibration causes fatigue， even mutual rubbing between titanium tubes， and finally leading to fracture. In order to reduce the occurrence of this event， the power plant had taken a series of precautions.

Key Words：Condenser titanium tubes； Leakage； Eddy current testing； Fluid elastic instability vibration； Preventive measures

1 事件背景

2017年4月27日凌晨1点，国内某电厂在GSY系统检修结束后1号机组重新上行，二回路水质突然急剧恶化至5区，机组被迫后撤，监测显示冷凝器A1水室存在海水泄漏。在整体氦查漏并未发现异常的情况下，4月29日对A1及A3水室进行了覆膜查漏，发现A1水室3根疑似泄漏的钛管。随后对这三根泄漏钛管密封焊处进行PT 检测，未见异常，确认泄漏点不在管板密封焊处。

2 钛管涡流检测及内窥镜检查

冷凝器作为电站的冷源，其安全性备受重视，各电厂冷凝器在役期间普遍采用了内穿涡流法跟踪检测钛管[1]。涡流检测对导电材料表面或近表面缺陷的检测灵敏度较高，在一定条件下，能反映有关裂纹深度的信息，可在高温、薄壁管、细线、零件内孔表面等其他检测方法不适用的场合实施检测[2]。

5月2日，完成了对4个水室漏管怀疑处、共计491根冷凝器钛管的涡流检测，其中包括覆膜查漏发现的A1水室3根疑似泄漏钛管。现场检测所用的标定管上有一Φ1.5mm的通孔，并将通孔处的差分通道信号幅值设定为8V，相位为40°。该检测系统中绝对通道用于大范围渐变缺陷的检测，差分通道用于管束轴向方向上突变性缺陷的检测，混频通道用于支撑板信号的抑制，以显示支撑板下或者附近的较小缺陷[3]。涡流结果显示，A1水室的R038C054钛管在距离进水端第8个与第9个支撑板之间的自由段处发现一个明显的伤信号，差分通道的李萨如图相位是39°（如图1），通过相位-伤深曲线判定其伤深为98%，可认定是钛管的漏点。此外，钛管R064C066、R056C058也均在自由段发现明显的伤信号，与覆膜查漏的结果相符。A1水室还发现10根钛管中共21处磨损信号，与前一次大修期间所做的冷凝器涡流检测结果相比，均属于新增磨损管。

之后，对3根疑似泄漏钛管在涡流信号异常处做了内窥镜检查。可见钛管内管壁干净平整，未见明显的腐蚀迹象，可以排除海水腐蚀的影响；缺陷部位无明显凹陷及突变，不符合落物砸伤形成的痕迹特征。

大修期间电厂将三根伤管拔出。拔出的钛管在上述涡流信号异常处已经断开，除裂纹之外管壁还有明显的磨痕（见图2），由此也验证了涡流检测判伤定位的准确性。开裂钛管的裂纹均分布在距离出水侧支撑板磨痕365-385mm之间，两支撑板间距离约为707mm，裂纹在两支撑板中点附近位置。钛管外表面碰磨严重部位均位于支撑板两跨中间位置，通过扫描电镜对钛管碰磨处外表面观察可以看出，碰磨痕迹形貌相似，均为径向磨痕。部分钛管磨损部位表面有发蓝现象，表明钛管之间可能发生过高速碰撞或摩擦。

3 类似案例

在2012年底的一份内部报告显示，国内另一电厂也发生过冷凝器钛管断裂的相似案例，两个电厂的冷凝器是同一厂家制造，除钛管直径外，其余管束参数及设计结构均一致，具有重大的参考意义。该报告对于事件原因的分析首先否认了落物砸伤、材料腐蚀、钛管材质不合格、制造与安装不符合设计要求等几个方面的因素。泄漏事故发生后拔出断管检查发现，在第10个与第11个支撑板之间有一处断口和一处裂纹，第11个与第12个支撑板之间有两处裂纹，并在第7～12块支撑板两两之间的钛管表面均存在磨痕，并且磨损程度向两端逐渐减轻。

分析断口后发现，钛管裂纹性质为疲劳裂纹；裂纹起源于钛管外表面，起源位置应是在焊缝处（见图3）；裂纹的产生主要与钛管振幅过大（导致互磨），并由此产生较大的弯曲应力有关。

从经验看，因冷凝器冷却模块设计参数选取不当导致管束振动主要可表现为两种形式，一是与汽轮机组的共振，二是管束的流体弹性不稳定振动。从计算结果看，管束固有频率，与汽轮机组工作频率相距较远，共振可能性不大。而如果管束模块参数选取不当，会导致流速（或局部流速）接近流体临界流速；同时，在与国内外同行专家沟通时了解到，设计中使用的蒸汽流速通常选用蒸汽在冷凝器模块中流过时的平均流速，不是真正的最高流速，因此局部实际流速可能会远高于平均流速。这时，流体弹性不稳定将引起管束振动。流体弹性不稳定振动呈多方向的旋转型，长期振动造成疲劳，甚至钛管间相互发生碰磨，以致断裂。另外，在机组调试启动初期多次甩负荷对冷凝器产生较大冲击（设计上理应能够承受），在客观上加深了问题的程度。

综上所述，2017年冷凝器泄漏事件的根本原因是其设计裕度不足，单列运行时低压缸排气气流速度接近冷凝器钛管激振临界流速，且高压给水加热器应急疏水阀频繁开关期间，冷凝器真空存在剧烈波动，更进一步加剧了钛管的激振，进而引起钛管断裂及泄漏。

4 纠正措施

从设计上而言，两个支撑板之间的跨距的4次方与振幅成正比，所以应在以后的设计中增加支撑板数量，即减小跨距以减小振幅，并将受蒸汽冲击最大的表层管改成实心钢管。

对于已经投用的冷凝器，短期内为了控制事故后果，可选择在高断管风险区域实施预防性堵管和更换假管。堵管后，即使断管也不会导致海水进入二回路，不会影响机组运行；另外还可以在钛管间插入防振条，可以有效减缓钛管的振动，避免碰磨。所谓防振条，是一种高分子材料制成的管子，预先抽成真空并封闭。当管子在钛管间安放就位后，割开管子，使其充进空气，管子膨胀便充满了钛管间的空隙，以达到减振效果。

长期措施可以推进安装导流栅的工作。导流栅就是在整个模块上部，安装导流用的栅格板，以改变流态分布，降低实际蒸汽流速。这项工作实施后，应该可从根本上解决钛管振动问题。

参考文献

[1] 陶于春，梁鹏飞，周宇，等.涡流检测冷凝器薄壁钛管管壁凹陷程度的评估方法[J].无损检测，2016，38（5）：38-40.

[2] 何春艳，张嫦娟，冯辉，等.钛管生产用可靠性检验方法初探[J].理化检验-物理分册，2015，5（3）：181-183.

[3] 魏培生，赵久国，朱省初.碳钢管束远场涡流检测缺陷识别与判定[J].无损探伤，2011，35（5）：22-24.