RCW热交换器管板/传热管缺陷分析及应对措施

尤益辉 胡胜

【摘 要】RCW系统为电站反应堆厂房、辅助厂房、汽轮机厂房内包括慢化剂和停堆冷却器等几乎电站所有系统和设备的热交换器提供高质量的冷却水。RCW热交换器由于各种原因，管板/传热管产生冲蚀、锈蚀和穿孔等缺陷，传热管一旦泄露将降低系统换热效率以及设备可靠性，进而影响着电站的稳定运行。本文深入分析管板/传热管缺陷产生的原因，并对其失效机理进行研究。最后从生产实际出发，提出针对RCW传热管缺陷的应对措施，包括采用高分子涂层、加装尼龙套管和改变管板连接方式等措施。在一定程度上降低缺陷管产生，保证机组安全稳定运行。

【关键词】RCW热交换器;钛管;连接方式;胀接;焊接

中图分类号： TQ051.5文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）02-0248-002

【Abstract】The RCW heat exchangers are the critical equipment of the power plant. The titanium tubes and heat exchanger tubes were corroded and plugged for some reason， which influenced the safety of the power plant. This paper deeply analyzed the reasons and failure mechanism of the tubes. Some measures were provided to deal with these defects from the viewpoint of the production practice in the end of this paper， which reduced the tube defects to some extent and ensured the plant run safely.

【Key words】The RCW Heat Exchanger; Titanium tube; Joint; Expanding; Welding

0 引言

RCW系統为电站反应堆厂房、辅助厂房、汽轮机厂房内包括慢化剂和停堆冷却器等几乎电站所有系统和设备的热交换器提供高质量的冷却水，RCW系统的热量通过RCW热交换器由海水带走。RCW热交换器由美国YUBA公司设计和制造[1]，为单流程管壳式热交换器，管壳侧介质分别为海水和除盐水，设计寿命为40年，其主体结构如图1所示。

每台热交换器内置4932根钛管，管长14630mm、管径19.05×0.71mm、材质为ASTM B338 Gr.2级焊接薄壁钛管。管板为钛-碳钢复合板，厚度78mm;其中钛层厚度8mm、材质为ASME SB265 Gr.1标准钛板。RCW热交换器每根钛管均以材质为碳钢的12块支撑板和11块折流孔板支撑固定，管子两端由管板固定。管板与钛管之间采用胀接工艺，管板开有两道胀管槽，无密封焊[2-7]。

机组投运以来，RCW热交换器陆续出现管板、传热管破损和泄漏等缺陷。在每年进行的检查中发现缺陷管以及堵管数量不断增加，其中个别RCW热交换器的堵管数量已接近设计限值（5%）。RCW热交换器面临降级风险，机组核安全配置的可靠性也受到威胁。

本文在已有的工作基础上，探讨和分析传热管缺陷产生的原因，并对其失效机理进行研究。最后提出针对RCW传热管缺陷的应对措施，在一定程度上降低了缺陷管产生。

1 RCW热交换器管板及传热管缺陷分析及应对措施

1.1 管板缺陷分析及应对措施

RCW热交换器每年都需要进行开盖检查，检查结果表明8台热交换器的进出口管板均有不同程度的冲蚀、锈蚀和穿孔，大量钛管入口及胀管区凹陷、破损、穿孔，如图2所示。

1.1.1 物理化学成因及应对措施

（a）原因分析

由于长时间的在海水浸泡，衬胶不断老化，出现不同程度脱落。而脱落的胶皮贴附在管板上，造成管板局部区域紊流严重，导致管板冲蚀损坏。同时，海水在进水口一般会携带着异物（如石子、脱落的砂浆等）碰撞管口，造成管口变形或缺失。随着海水的冲刷，缺陷逐渐扩大，进而造成管板破口。同时海水在进水口产生漩涡紊流、涡流，表面剪切应力大大增加，导致钛表面钝化膜剥离、脱落。

化学腐蚀（电偶腐蚀、缝隙腐蚀）对管道的影响是极大的。由于管板和传热管之间管板与钛管之间采用强度胀连接（未密封焊），管间细微缝隙毛细作用使海水渗入，同时钛与碳钢两者电位差很大，很容易引发电偶腐蚀和缝隙腐蚀。生产的腐蚀产物堆积挤压，随着钛管内壁腐蚀减薄逐渐导致钛管破裂。

（b）应对措施

（1）采用密封焊。根据初步文献调研，复合管板或一侧有腐蚀性介质，特别是复合层厚度在3～10mm之间时管板与钛管的连接均应采用密封焊来防止电偶腐蚀和间隙腐蚀。另据文献所述，Gr.2的钛材不耐间隙腐蚀且钛材有加速其它金属电化学腐蚀的倾向。同时，电站设计采用的海生物杀生剂是次氯酸钠，钛在卤素离子溶液中较易产生间隙腐蚀。因此通过采用密封焊来防止电偶腐蚀和间隙腐蚀。

（2）使用高分子涂料。为保护管板，对热交换器进出口管板使用高分子涂料填充钛管和管板的缝隙以消除缝隙腐蚀（涂料厚度3～5mm），并使填补材料与钛管口平齐以减少管板表面紊流和防止冲击破坏，还对磨损的管板和管口损坏进行了修形。后考虑高分子涂层去除困难，会影响后续的换管，调整为对损坏严重的入口管板涂覆高分子涂层，而出口侧管板和损坏轻微的入口侧管板则采用橡胶涂层防腐。

1.1.2 传热管安装工艺成因及应对措施

（a）原因分析

RCW热交换器传热管安装工艺中有两个重要工艺对换热器传热管使用寿命产生重要影响。一个是：换管过程中的胀管工艺（欠胀或过胀），另一个是：管接头联接方式（只进行胀接但无焊接）。

（b）应对措施

（1）控制壁厚胀度。钛管欠胀将导致在管子与管板连接处出现不足的塑性流动，从而这将导致泄漏。过胀将导致管板过大的变形，引起相邻管子支撑作用减弱，引起过大的管板径向膨胀或管子出现加工硬化。为了避免钛管出现欠胀或过胀，应控制管壁胀度在5%～10%内。

通过对胀度的有效控制，可以避免钛管在安装过程中出现欠胀或过胀，从而提高了RCW热交换器传热管管板耐腐蚀性能，延长了管板的使用寿命。

（2）采用强度胀+密封焊连接工艺。运行实践和相关分析表明，钛管与管板之间由于未进行密封焊而发生了电偶腐蚀和缝隙腐蚀。析氢还原反应产生氢鼓泡，管壁出现微突起，在泥沙海水冲刷磨损下导致了钛管破裂。因而在更换RCW热交换器传热管时，宜采用强度胀+密封焊连接工艺。

1.2 钛管减薄、泄漏原因分析及应对措施

下图是对RCW热交换器部分冲蚀严重的鈦管进行切割分析，可以看出管道内部出现凹坑，穿孔以及划痕等缺陷，见图3。

（a）原因分析

钛管减薄、泄漏缺陷主要发生在管板至第一块支撑板之间。经多次拔管取样研究分析，确认钛管材质、力学性能、焊缝质量等均合格，认为可能的原因是含有泥沙等杂质的高速流动的海水冲刷腐蚀导致[9]。

为了进一步证实介质流动速度对管道腐蚀的影响，研究人员利用有限体积法对贝壳堵塞后的钛管内流场进行了数值模拟。结果表明：钛管内流速最高可达15m/s，如图4所示。此时高速微粒（如泥沙）磨削的速率，大于钛氧化膜的再生速率，钛表面就会发生明显的冲蚀磨损。

综上所述：流速偏高且含沙量较高的海水对钛管的冲蚀加快了管壁减薄速率。电站热交换器管侧设计流速为2.7m/s，是其他电站（0.43m/s）的6倍，而循环海水（RSW）泵的实际流量比设计流量超出15%，因而实测流速最高达3.3m/s。而对于流速超过3m/s时，为保证设备安全应在入口设计防冲蚀磨损（下转第237页）（上接第249页）的导流筒或防冲板，而RCW热交换器无此设计。同时，随着大量堵管和加装尼龙套管，管侧流速还会持续增大。

（b）应对措施

为减小钛管冲蚀磨损，在RCW热交换器出口安装节流装置并优化设备运行模式来适当降低管侧流速。为确保系统设计流量，节流装置设计以RCW热交换器的海水侧差压为改造依据。

2 总结与展望

通过RCW热交换器传热管失效机理的研究，掌握了换传热管缺陷产生的原因以及应对措施，为确保RCW热交换器的长期安全稳定运行提供了保障。对凝汽器、高低加、轴封冷却器等电站重要热交换器的传热管缺陷分析工作起到参考和指导作用。

【参考文献】

[1]TEMA 88《管壳式换热器制造商协会标准》.

[2]ASTM B338-2007《冷凝器和热交换器用无缝及焊接钛与钛合金管》.

[3]GB/T3625-1995《换热器及冷凝器用钛管及钛合金管》.

[4]GB151-1999《管壳式热交换器》.

[5]ASME BPVC Sec VIII-1-2004《压力容器建造规则》.

[6]杨振国《核电装置换热器传热钛管的失效分析及其解决对策》.

[7]钱颂文《换热器设计手册》.

[8]T.Kuppan《换热器设计手册》.

[9]柴成文，路民旭.湿气管道的顶部腐蚀与防护对策[J].腐蚀与防护，2007（4）：167-170.

[10]陈匡民.过程装备腐蚀与防护[M].北京：化学工业出版社，2007.

[11]唐炯然.流速加速腐蚀引起的碳钢管壁减薄[J].核科学与工程.2001，21（2），189-192.