核电站凝汽器传热管泄漏原因及监督优化

王孝恩，覃磊

海南核电有限公司，海南 昌江， 572733

摘要：凝汽器作为电站汽轮机组中热交换的重要设备，传热管破损导致的泄漏是凝汽器主要的故障模式，一旦发生泄漏将严重影响机组的可靠运行，增加凝结水经处理系统的负担，并对蒸汽发生器造成损害。本文以某电站发生凝汽器传热管泄漏事件为切入点，通过设计、安装和运行等多个方面的分析，和国内类似事件的调查，提出了一些可能造成传热管泄漏的原因，并根据电站运行经验提出了监督优化的建议。

关键词：凝汽器；传热管泄漏；隔热罩

Abstract: The condenser is an important equipment for heat exchange in the steam turbine unit of the power station. The leakage caused by the damage of the heat transfer tube is the main failure mode of the condenser. Once the leakage occurs, it will seriously affect the reliable operation of the unit, increase the burden of the condensate treatment system, and cause damage to the steam generator. Taking the leakage of condenser heat transfer tube in a power station as the starting point, through the analysis of design, installation and operation and the investigation and analysis of similar events at home and abroad, this paper puts forward some possible causes of heat transfer tube leakage, and puts forward preventive measures according to the operation experience of the power station.

Key words: Condenser; Leakage of heat transfer tube; Heat shield

0 引言

目前，国内核电事业发展良好，成为清洁能源的重要代表之一，这和近年来国内核电的长期安全稳定运行是密切相关的。而凝汽器是电站汽轮机组重要的换热设备，其中传热管是凝汽器的核心部件，对换热功能的实现意义重大^[1]，也对核电厂正常运行起着重要作用。凝汽器传热管的损伤导致泄漏是凝汽器运行过程中的主要故障模式，严重影响机组的安全性和稳定性。近年来，国内核电厂发生了多次凝汽器传热管的泄漏事件，对电厂造成了巨大的损失。

1 系统设备概述

凝汽器是一种大型管壳式换热器，循环冷却水通过水室、管板进入传热管，凝结水侧接收来自低压缸的排汽，这些排汽通过内部流动冷却水的传热管表面被冷凝成液体，热能从蒸汽转移到循环冷却水被带走。凝汽器的汽侧布置有各种管道，接收来自各个系统的排汽和疏水，并于上方的低压加热器和汽轮机相连通。在水室两侧各有一个疏水扩容器，一些系统的疏水通过管道直接进入凝汽器。

核电机组凝汽器循环冷却水一般来自海水，由循环水泵输送，经拦污栅、旋转滤网或鼓型滤网、二次滤网等过滤设施后，进入凝汽器循环水侧，经凝汽器传热管换热后回到凝汽器出口下游的海洋，如图1所示。传热管采用钛合金制作，中间设有管板，以固定传热管防止振动过大，两端通过焊接与管板形成机械密封。

图1 凝汽器机构示意图

2 事件介绍

2020年5月，某电厂运行过程中蒸汽发生器出现钠离子突然上涨，后经排查，是由于凝汽器发生破损导致海水进入二回路系统导致。停机后通过覆膜法检查发现，第二台凝汽器传热管出现了破损，对破损位置进行内窥镜检查，明显可见钛管出现了破损，破口尖锐，如图2（a），另有多处凹陷，极可能为上方部件掉落后砸破。

进入汽侧后检查发现，破损位置下方有掉落的金属部件，见图2（b），怀疑为汽轮机金属部件掉落后砸伤凝汽器钛管。停机后进入低压缸内发现，低压缸缸体隔热罩的护板出现多处大面积脱落，在护板的焊接位置发现多出开裂，部分位置的碰焊螺栓脱落，对凝汽器内的金属块进行打捞后，经对比，与脱落位置形貌吻合。

（a）钛管破损 （b）金属部件掉落

图2 泄漏排查

后经排查，周边的传热管无破损，遂将破损位置周边传热管进行封堵，并将汽轮机低压缸隔热罩按照设计图纸进行修复和加固后，机组恢复正常运行。本次事件处理耗费7天，投入大量人力、物力，给运行单位造成巨大损失。

3 排查和分析

对汽轮机低压缸隔热罩脱落的位置进行检查，发现两块护板延焊缝拼接的位置脱落，一块从护板本体裂开后脱落，另外，隔热罩上的螺栓有的已经脱落，部分焊接位置出现了开裂，如图3。

图3 隔热罩护板脱落

经查询施工文件，此部件在安装时由厂家在现场施工安装，并未经过质量控制和见证，也未留下质量证明文件。根据设计文件要求，护板与侧面贴板之间应当采用断续焊接，每隔19mm焊接50mm，未焊接的位置作为疏水的通道，如图4（a），而实际采用的是不连续点焊固定；螺栓应采用角焊缝固定，但实际采用点焊固定，焊肉缺失严重，焊接质量较差。这些部件在振动和气流的冲击下，由于焊接质量较差，点焊部位发生断裂，掉入下方的凝汽器，砸破了凝汽器的钛管，进而导致水侧的海水进入二回路系统，导致蒸汽发生器的NA⁺含量异常升高。

（a）护板焊缝设计图 （b）现场焊接图

图4 隔热罩护板设计安装图

为避免此类事件再次发生，对国内外电厂的运行经验和报告进行调查研究，进一步识别传热管失效的其他原因和预防措施。

4 国内调查统计

对国内多个运行电厂的56台凝汽器运行情况进行调查统计，自2000年至2019年7月期间，共出现 44次凝汽器泄漏事件，其中38次为凝汽器钛管或管板密封焊缝失效。对传热管失效的原因进行分类统计如表1：

表1 传热管泄漏原因统计

原因	泥沙冲刷	汽侧异物	海水异物	二次滤网	堵头脱落	气流冲击	设计缺陷	汽水冲蚀	其他原因
次数	8	4	10	3	2	1	1	1	8

5 传热管失效模式

根据对凝汽器的结构分析和国内外的失效事件调查，可见传热管失效是凝汽器失效的主要模式。结合凝汽器结构和调查结果进行分析，传热管失效的可能原因如下：

1. 汽侧异物打击导致泄漏，这些异物可能来自汽轮机、上部膨胀节部件脱落，也可能是检修时掉落或遗留在凝汽器中的异物；

2. 海水中的泥沙长时间冲刷导致传热管壁厚减薄，最终发生泄漏；

3. 二次滤网破损后，海水中的异物或二次滤网碎片进入凝汽器，导致传热管或管板破损；

4. 水室和入口管道内的牺牲阳极块或其他部件脱落，对管板密封焊缝造成损伤，碎屑进入传热管也会造成传热管泄漏，此外，水室内脚手架搭设时也会造成密封焊缝损伤；

5. 汽侧的汽流扰动导致传热管产生振动，如果中间管板间距果过大，会导致管子震荡过大，造成传热管破损甚至断裂；

6. 凝汽器两侧的疏水扩容器内部管道破损，长时间冲刷造成凝汽器的外壳破损，将直接冲刷传热管，最终导致传热管破损；

7. 破损传热管的焊接封堵施工缺陷或焊缝腐蚀，尼龙堵头胀接不严和堵头老化脱落，都会造成泄漏；

8. 海水生物依附在管板上导致管板焊缝发生腐蚀，叠加异物的冲击效应，也可能发生泄漏。

6监督优化

由汽测异物导致泄漏的传热管大部分都位于最外圈，因此，大修期间对汽轮机部件，特别是隔热罩和叶片等易脱落部件的完整性和安全性检查是必要的。同时，检修期间还应该做好汽轮机检修的异物防护措施，并检查汽侧的异物情况。

在大修期间也应主要针对外圈进行100%涡流检验，可提前发现异物砸伤的传热管，提前评估处理，避免机组投运后发生泄漏。此外，在时间允许的条件下，涡流检验可考虑在其他检修后开展，避免涡流检验结束后砸伤的传热管无法检测到。

二次滤网和水室的异物及腐蚀在运行期间无有效措施进行监测，大修期间应检查二次滤网的完整性和水室管板密封焊缝情况，对损伤的密封焊及时进行补焊。此外，针对采用尼龙堵头进行封堵的传热管，应当每次大修进行检查，并根据其老化机理，定期进行更换。

两侧的疏水扩容器往往是监督中容易忽略的地方，应排查其内部管道是否存在发生FAC（流动加速腐蚀）和冲蚀的可能，制定监督措施，避免管道发生泄漏，冲击凝汽器壳体，导致传热管破损。

参考文献：

[1] 张卓澄. 大型电站凝汽器[M]. 北京: 机械工业出版社,1993:260-268.ZHANG Zhuocheng. Large power plant condenser[M].Beijing: China Machine Press, 1993:260-268.

作者简介：王孝恩（1993年），男（汉族），助理工程师，本科，主要从事在役检查、金属监督，通信地址：海南省昌江县海尾镇塘兴村海南核电有限公司（572733）.