某電站再生熱交換器泄漏分析及處理

宋黎明 易學(xué)靜

摘 要：某電站調(diào)試過程中再生熱交換器發(fā)生泄露，本文回顧了泄露事件過程，對(duì)泄露原因進(jìn)行了技術(shù)分析，并提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：再生熱交換器;泄漏;改造

1 引言

再生熱交換器安裝在反應(yīng)堆廠房，再生熱交換器用于回收下泄流的熱量以加熱上充流，其中下泄流流經(jīng)換熱器管側(cè)，凈化后的上充流流經(jīng)殼側(cè)。

本設(shè)備是一臺(tái)臥式、U型殼體、U型換熱管式熱交換器。

2 事件過程

2017年，某電站1號(hào)機(jī)調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)再生熱交換器上人孔法蘭泄露。

隨后，設(shè)備供應(yīng)商確認(rèn)根據(jù)目前掌握情況，不會(huì)對(duì)法蘭表面和墊片造成損害，可以繼續(xù)熱試;并要求業(yè)主監(jiān)測泄露情況。

現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)再生熱交換器泄露增大，機(jī)組立即下行，并隨即對(duì)泄漏的管側(cè)進(jìn)行隔離，隨后對(duì)殼側(cè)進(jìn)行隔離。

機(jī)組下行過程中現(xiàn)場對(duì)泄露的上人孔法蘭螺栓進(jìn)行標(biāo)號(hào);并對(duì)管側(cè)進(jìn)行冷態(tài)水壓試驗(yàn)，結(jié)果在6.5bar時(shí)開始出現(xiàn)滴漏，50bar時(shí)，5#，6#，7#，10#，11#，13#螺栓部位出現(xiàn)線性泄漏。

隨后螺栓緊固力測量公司、設(shè)備供應(yīng)商和墊片供應(yīng)商分別到達(dá)現(xiàn)場，檢查發(fā)現(xiàn)法蘭蓋中心相比周邊已向背面鼓出最大0.9mm，人孔法蘭面墊片槽外已壓出一個(gè)深0.25mm槽，墊片鍍銀層已被沖刷，且沿圓周均勻分部。

經(jīng)過各方現(xiàn)場檢查、討論，使用新墊片重新緊固后，順利通過水密封試驗(yàn)。

3 原因分析

經(jīng)過分析，再生熱交換器出現(xiàn)泄漏的可能原因有墊片缺陷、熱瞬態(tài)超出設(shè)計(jì)值、設(shè)備制造缺陷、設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷等。

3.1墊片缺陷

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)墊片和法蘭接觸面的圓周以及和槽接觸面的上圓周有損壞，隨后對(duì)4個(gè)備件墊片檢查，發(fā)現(xiàn)生銹、微劃痕/銀氧化問題。

如果泄露是由于墊片缺陷導(dǎo)致，則泄露痕跡應(yīng)該僅體現(xiàn)在墊片缺陷部位，而現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)泄露痕跡布滿整個(gè)法蘭圓周;且墊片缺陷不會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)的法蘭螺栓緊固力減小以及法蘭蓋變形問題。

因此，判斷墊片損壞發(fā)生在泄露之后（由于高壓介質(zhì)泄露沖擊墊片密封面導(dǎo)致），基本排除墊片缺陷原因?qū)е滦孤丁?/p>

3.2 熱瞬態(tài)超出設(shè)計(jì)值

熱瞬態(tài)對(duì)再生熱交換器的影響主要取決于溫度變化幅度以及對(duì)應(yīng)的溫度變化率。也就是說，溫度大幅度的突然增加會(huì)導(dǎo)致大量殘余應(yīng)力;如果熱瞬態(tài)超出了設(shè)備設(shè)計(jì)中選用的溫度增加值，設(shè)備存在塑性變形的風(fēng)險(xiǎn)。相反，如果溫度大幅度的降低會(huì)導(dǎo)致法蘭部分緊固力矩的缺失;如果熱瞬態(tài)超出了設(shè)備設(shè)計(jì)中選用的溫度減少值，設(shè)備存在緊固力矩缺失導(dǎo)致泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)現(xiàn)場提供的探頭測量的再生熱交換器的溫度記錄數(shù)據(jù)。經(jīng)過分析，溫度升高最大幅度為+157.2℃（對(duì)應(yīng)的溫度變化率為+0.19℃/s），溫度升高最大速率為+1.49℃/s（對(duì)應(yīng)的溫度升高幅度為+133.8℃）;對(duì)比設(shè)備設(shè)計(jì)考慮的數(shù)值，溫度升高最大幅度在設(shè)計(jì)包絡(luò)范圍內(nèi)，但溫度升高最大速率+1.49℃/s超出了設(shè)計(jì)數(shù)值（+0.70℃/s）。另，溫度降低最大幅度-179.1℃以及溫度降低最大速率-0.18℃/s都在設(shè)計(jì)包絡(luò)范圍內(nèi)。

為了分析溫度升高最大速率值超出設(shè)計(jì)數(shù)值的影響，供應(yīng)商委托第三方對(duì)整個(gè)水室（包含墊片）建立了三維有限元模型，對(duì)此熱瞬變水室的緊密型和完整性（考慮+/-10%的緊固力）進(jìn)行了分析，比較了此熱瞬變和設(shè)計(jì)數(shù)值中熱瞬變的應(yīng)力水平以及變形量，結(jié)論為此熱瞬變狀態(tài)下水室的緊密型和完整性滿足RCC-M要求，且不會(huì)導(dǎo)致法蘭緊固力缺失以及法蘭蓋變形。因此，基本排除熱瞬態(tài)超出設(shè)計(jì)值原因?qū)е滦孤丁?/p>

3.3 設(shè)備制造缺陷

再生熱交換器進(jìn)行工廠水壓試驗(yàn)時(shí)曾出現(xiàn)滴漏，但保壓30分鐘成功。供應(yīng)商按規(guī)定開啟了外部不符合項(xiàng)，設(shè)計(jì)方認(rèn)為水壓試驗(yàn)壓力是最大設(shè)計(jì)壓力的1.5倍，條件極高，通過引入第三方計(jì)算單位驗(yàn)證，設(shè)計(jì)方認(rèn)可供應(yīng)商計(jì)算報(bào)告的建模，同意原樣接受水壓試驗(yàn)結(jié)果，關(guān)閉不符合項(xiàng)。

經(jīng)排查設(shè)備制造完工報(bào)告，設(shè)備制造過程中產(chǎn)生的不符合項(xiàng)均已正常關(guān)閉，未發(fā)現(xiàn)其他問題，因此基本排除設(shè)備制造缺陷原因?qū)е滦孤丁?/p>

3.4 設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷

再生熱交換器鍛件采用Z2CN18-10材料，其化學(xué)成分及制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收按照RCC-M M3301執(zhí)行。

經(jīng)核查，設(shè)備計(jì)算報(bào)告中基本許用應(yīng)力強(qiáng)度值根據(jù)實(shí)測值得出，而未采用RCC-M附錄ZI 篇的基本許用應(yīng)力強(qiáng)度值。對(duì)法蘭蓋尺寸進(jìn)行核查，供應(yīng)商采用有限元法進(jìn)行計(jì)算，法蘭蓋名義厚度為125mm，采用的基本許用應(yīng)力強(qiáng)度Sm為130MPa， 設(shè)計(jì)工況裕量為1%;若按RCC-M C3200規(guī)范，基本許用應(yīng)力強(qiáng)度Sm采用RCC-M 附錄ZI的數(shù)據(jù)94MPa，對(duì)法蘭蓋進(jìn)行計(jì)算結(jié)果表明厚度應(yīng)不小于146.8mm。經(jīng)進(jìn)一步核查，水室筒體、管板、換熱管、殼程檢查孔和尾部彎頭在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算或者應(yīng)力分析時(shí)，都存在材料的力學(xué)性能未按RCC-M給定值選取的問題。

供應(yīng)商解釋其采用的鍛件材料是“Z2CN18-10 改進(jìn)型”，而并不是“Z2CN18-10”，因此RCC-M 附錄ZI的基本許用應(yīng)力強(qiáng)度值并不適用，而是依據(jù)RCC-M 附錄ZIII 211的要求通過計(jì)算得出。

但根據(jù)RCC-M 附錄 ZIII 110，鑒于“Z2CN18-10 改進(jìn)型”材料并不是新材料，屈服強(qiáng)度Sy和抗拉強(qiáng)度Su要么根據(jù)a）條款規(guī)定從附表ZI 2.0/ZI 3.0中選取，要么根據(jù)b）條款規(guī)定在代表試樣上進(jìn)行足夠多的試驗(yàn)后通過統(tǒng)計(jì)法獲取。而供應(yīng)商僅在管板、水室等部件處共選取了10個(gè)試樣（其中在泄漏的水室僅選取了4個(gè)試樣，每個(gè)試樣2組試驗(yàn)），試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足夠有代表性。因此，設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷是導(dǎo)致再生熱交換器泄露的原因。

4 解決措施

根據(jù)原因分析，給出保持法蘭密封結(jié)構(gòu)或者改為焊接結(jié)構(gòu)兩種解決方案。

4.1保持法蘭密封結(jié)構(gòu)

水室原密封結(jié)構(gòu)不變，加厚法蘭蓋以滿足強(qiáng)度、剛度的要求。

1）? 法蘭蓋材料選用Z2CN18-10鍛件，法蘭蓋厚度155mm。

2）? 更換新螺栓并加長。

3）? 螺母、墊圈、C型密封環(huán)、水室等均采用原再生熱交換器零部件。

4.2 焊接結(jié)構(gòu)

1）? 使用球形封頭與水室進(jìn)行對(duì)接焊。球形封頭材料選用Z2CN18-10，厚度58mm。

2）? 球形封頭上設(shè)置一個(gè)窺視孔，用于設(shè)備在役檢查。

通過綜合比對(duì)技術(shù)方案成熟性、密封面泄露風(fēng)險(xiǎn)、日常維護(hù)及在役檢查便利性等因素，最終選擇了使用球形封頭焊接結(jié)構(gòu)的解決方案，完成了現(xiàn)場再生熱交換器改造工作，截至目前，再生熱交換器運(yùn)行良好，無泄漏情況發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

1.RCC-M 2007版