利用涡流检测技术,对某核电站泄漏的热交换器用传热钛管进行抽样检测;结合其工作环境,分析其失效形式.结果表明,热交换器内壁防腐橡胶脱落导致异物堵塞和冲刷腐蚀是导致钛管失效的主因;海水流速过高和附近海域泥砂含量过大是导致钛管失效的根本原因.最后对该电厂钛管的防护提出解决方案.

沿海地区的电厂热交换器一般用海水作为冷却剂.传热管中流动的冷却海水可以带走系统存在的热量,在热力循环中起到冷源的作用.在所有的金属材料中,纯钛在平静海水中的均匀腐蚀速度几乎为零,同时具有抗高速海水的冲蚀磨损能力,钛管在海水中具有优良的抗蚀性能,使用寿命长、安全、无泄漏,已逐步得到共识。目前对钛管的检测最常用的方法为涡流检测方法,可以探测管材表面的裂纹、泄漏等缺陷。本文针对某核电站热交换器钛管的泄漏问题利用涡流检测方法对在役热交换器钛管进行检查,基于传热管的特殊工作条件及核电厂实际地理环境,对泄漏管进行失效分析并提出解决措施。

1实验方法

1. 1钛管工况

本文所检测的钛管是ta1级-钛管,母材的化学成分、金相组织、显微结构、力学性能、工艺性能、管子焊缝质量等均满足asme b338标准的要求.钛管规格为:519105 mm@0171 mm(直径@壁厚),管长14630 mm.热交换器外形尺寸约为2000 mm@14000 mm,内部中间段为4932根传热管,两头长约1000 mm的范围为进水腔和出水腔,海水从热交换器的下方由水泵将海水注入头部的腔内,然后流入传热管.传热管两端与钛覆盖层碳钢材料管板固定,采用胀接工艺进行连接;中间由若干数量的支承板支撑.热交换器入水腔内壁上涂覆一层用于防腐蚀的橡胶.

1. 2涡流检测

涡流检测是基于电磁感应原理的一种无损检测方法,在传热管的检测中已经有长期的应用历史.下文介绍了涡流检测的原理、方法和应用.在对上述热交换器钛管进行涡流检测时,我们采用多频涡流技术,选择了1个主检测频率f1和2个辅助检测频率f2、f3.其中f1的频率最高,f2一般为f1的三分之一左右, f3则尽可能选取较低的频率.其中f1和f2主要观察差分通道, f3主要观察绝对通道. f1的涡流信号是判定缺陷的主要依据, f2用于和f1对比分析,便于剔除伪信号,f3主要用于缺陷定位,同时可用于观察钛管是否存在长而缓慢的减薄变化,因为此类缺陷在差分通道上几乎没有显示.另外,对f1和f2进行混频计算,其结果为m1通道的信号显示.混频的目的是为了消除管外支撑板信号的影响,以便正确判定支撑板处及附近区域的缺陷.

通过先后对核电站中三台热交换器进行涡流检测,(减薄量以百分比形式表示,减薄量大于40%认定为超标管): 3台热交换器的传热管发生减薄的情况较为严重.若以st表示检验起始端(海水进水侧管板),en表示检验结束端(海水出水侧管板); 01、02,表示支撑板编号,从海水入水侧开始编号,共23个支撑。

进水侧缺陷发生的比例均超过60%,其中1#、3#热交换器缺陷管较多,发生在进水侧的比例也明显偏高,达80%,主要集中在进水侧管板与第一个支承板之间.

2分析与讨论

经过对失效传热管的化学成分和力学性能进行检测分析,钛管所用原材料是符合标准的.这样,纯钛在海水中所具有的优良特性对该失效的钛传热管来说也应全部具有.该热交换器由国外公司制造,设计寿命为40年,已投入使用近10个月,而其累计使用时间只4个月左右即发现有相当数量的钛管壁厚减薄、泄漏.

一般情况下,传热管在使用中可能会发生的失效形式有振动断裂、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、吸氢脆化、水滴侵蚀以及生物污染等[6],前四种失效形式主要发生于传热管与管板或支承板的连接处,本次分析样品的缺陷除少数部位靠近支承板,其余缺陷均位于管板与支承板之间,该四种失效特征不明显.失效钛管的实际使用温度在45e以下,壳侧除盐水流速仅110 m /s,也不具备水滴侵蚀所须的高温蒸汽和高流速条件.现场检查和试验室分析也未见明显大面积的海洋生物聚集现象,生物污染破坏也不会成为失效的主要原因.

根据钛管的失效形式,经过推断,热交换器传热管失效是由于以下机理造成的: 1)异物堵塞.进水管上大面积脱落的橡胶条和贝壳等异物堵塞了传热管,改变了传热管内海水流动的流场,产生了冲刷磨损,导致钛管快速减薄和破损.

2)冲刷腐蚀.海水流动速度过快,且该附近水域泥砂含量大,产生磨粒磨损并加剧了钛管冲刷腐蚀.

2. 1异物堵塞

根据该电厂工艺设计,海水在热交换器中的流动速度较高,热交换器管侧和壳侧水介质的流速分别为217 m/s和110m/s;加上该电站附近海域海水泥砂含量大,含泥量2118~414kg/m3,以黏性细颗粒粉沙为主,粉沙主要为正长石和石英,摩氏硬度分别为6和7级(hv930~1120),悬沙粒径中值10~44lm,形态为多棱片状,此数据超出该电厂原型设计理论值上限,海水水质不同于标准海水.高速流动的海水及其夹带的泥砂冲刷入水腔内壁防腐橡胶,磨损橡胶衬里的搭缝处.随着时间的推移,搭缝逐渐撕裂,橡胶在水流漩涡和泥砂冲刷双重作用下逐渐分层脱落.海水顺着橡胶撕裂处冲刷橡胶层间或橡胶与管壁之间,逐步扩大脱胶范围.

从失效传热管的位置分布来看,管板上失效的钛传热管口均有一定数量的防腐橡胶,在热交换器检查时也发现防腐橡胶有堵塞传热管的现象,说明传热管失效与防腐橡胶的脱落阻塞是分不开的;从涡流检测结果、失效钛传热管宏观检验、以及失效传热管的解剖检验结果来看,破口或壁厚减薄位置大多位于距入水口1000 mm的范围内,仅有个别漏点距入水口较远,分析认定这一现象与防腐橡胶对传热管的堵塞位置有关.

此外,在传热管内还发现了异物贝壳,经研究,该类贝壳为软贝壳,俗称藤壶,其化学组成与常见的含p元素硬贝壳不同,易折弯变形,混进海水中与泥砂成为堵塞异物.

由于热交换器有较长的时间处于停用状态,停用时,其大多数处于有水状态,这样,含泥量较高的海水很容易在管内壁沉积泥砂,特别是在有防腐橡胶或贝壳存在的情况下,沉积的泥砂很容易和橡胶碎片集结成一体,形成阻塞,橡胶长期驻留的地方,形成阻塞的几率要高于无橡胶碎片的区域,越靠近管口,橡胶驻留的几率越高,形成阻塞的几率也就越高.

2.2冲刷腐蚀

即使流速高达20 m /s,钛在海水中的腐蚀也可忽略不计,但流动海水中有砂粒时,可使钛的抗冲蚀磨损能力恶化.经计算,高速海水流过闭塞处产生的剪应力为非闭塞处的26倍,由于海水中夹带的橡胶、贝壳和砂石等固体物堵于管内,在妨碍流动的固体物前后产生较大的压差,使狭窄的流道通过高速的海水,在固体异物周围发生显著的紊流.同时因海水夹带泥砂的冲刷,破坏了管壁的保护膜,随后在电化学作用下产生冲蚀磨损、磨蚀磨损以及磨粒磨损,于是在橡胶长期驻留的地方产生管壁减薄或穿透.

接着可以看出破口处光滑细腻,具有冲刷特征,同时还可以看到破口处附着的泥砂类物质.对缺陷处切割取样,清洗后置于扫描电镜下观察,发现破口处呈现明显的平滑柔和的水波纹、沟槽、颗粒状异物以及"马蹄状"破口等,具有冲刷磨损和磨粒磨损特征.

3措施与效果

基于本次传热管的几种典型失效形式,采取处理措施:

1.降低热交换器海水流量与流速.多投入一台热交换器,在不降低海水总流量的前提下,有效降低单个传热管内的海水流量;热交换器海水侧出口端加装节流装置,适当降低热交换器内海水流速.

2.对脱落和有缺陷的橡胶衬里进行了修复或重塑,避免橡胶脱落堵塞管道.

3.改造滤网,避免贝壳、大颗粒泥砂等冲入钛管内;定期清理滤网内管道中的海生物和淤泥,减少异物进入钛管.

4.对管口壁厚减薄量[60% (未深及管板),且缺陷位置距管口300mm内,在传热管入口端加装300mm长的尼龙套管保护.

基于本次的检查结果和上述解决措施,经实际运行验证,橡胶脱落得到了有效的控制,传热管的减薄或泄漏问题也得到了顺利解决.