利用涡流管优化核电厂高低加保养效果的思考

张学文

海南核电有限公司,  海南 昌江 572700

摘要:核电厂大修期间常规岛高低压加热器在二回路的水排干后，设备及容器内部仍有较多的水分残留，水膜存在的条件下接触空气会加速碳钢类设备的腐蚀，造成设备表面因发生电化学腐蚀或化学腐蚀而出现浮锈，如不加强管理放任现状，可能造成设备锈蚀加剧，严重时影响到设备的正常使用。本文主要针对常规干空气保养的原理和控制方法出发,设计一种可加快常规岛高低压加热器换热管水分去除的方案,在大修期间打开人孔后,对高低压加热器进行排水和清理腐蚀产物后,首先利用压缩空气进行管道吹扫,并结合涡流管提供高温干燥空气加速不锈钢换热管内的水膜去除,保障大修期间高低压加热器的保养效果。

关键词:核电厂；二回路；电化学腐蚀；干风保养；涡流管

Consideration of using vortex tube to optimize the effect of high and low maintenance in nuclear power plant

Zhang Xuewen

(Hainan Nuclear Power Co., LTD., Changjiang 572700, China)

Abstract: During the overhaul of the nuclear power plant, after the water in the second circuit of the conventional island high and low pressure heater is drained, there is still a lot of water residue inside the equipment and container. Contact with air in the presence of water film will accelerate the corrosion of carbon steel equipment, resulting in floating rust on the surface of the equipment due to electrochemical corrosion or chemical corrosion. If the management is not strengthened and the status quo is left unchecked, the corrosion of the equipment may be aggravated. In severe cases, the normal use of the equipment is affected. Based on the principle and control method of conventional dry air maintenance, this paper designs a scheme that can accelerate the water removal of the heat exchange tube of the conventional island high and low pressure heater. After opening the manhole during the overhaul, the high and low pressure heater is drained and the corrosion products are cleaned, the pipeline is purged by compressed air first, and the high temperature dry air is provided in combination with the vortex tube to accelerate the stainless steel heat exchange tube The water film is removed to ensure the maintenance effect of high and low pressure heaters during overhaul.

Key  words：Nuclear power plants; The second circuit; Electrochemical corrosion; Dry air maintenance; Vortex tube

1概述

核电厂在全运行周期内无论是进行缺陷处理还是进行换料大修,机组和设备处于停机状态，常规岛的大型换热器如高低压加热器等已打开人孔，且内部的水已经排空，在接触空气的条件下湿润的碳钢金属表面会发生一定程度的生锈。因为

设备的金属部分直接与大气接触,残留在设备表面的积水/水膜、水蒸气在金属表面形成薄膜,并与排空过程进入的空气接触后形成潮湿富氧的环境,且因为常规岛设备主要采用的金属材料为碳素钢、不锈钢、钛管等,设备不同部位有不同的电位,在潮湿富氧环境下将发生较为严重的电化学腐蚀。且腐蚀产物将会随着介质发生迁徙进而转移到蒸汽发生器内部,增加后续机组启动前二回路水质处理的难度,延长冲洗时间,降低机组的经济效益。

2停机腐蚀

2.1腐蚀的常见种类

生产设备常见的腐蚀类型主要包括化学腐蚀、大气腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀等几种类型，其中：

化学腐蚀是指金属在化学介质中发生的腐蚀现象，通常是由于金属表面与介质中的化学物质发生反应而导致的。其主要特征是腐蚀速度较快，腐蚀产物通常为溶解于介质中的化合物。

大气腐蚀是指金属在大气中发生的腐蚀现象，通常是由于大气中的氧、水蒸气、二氧化硫等物质与金属表面发生反应而导致的。其主要特征是腐蚀速度较慢，腐蚀产物通常为氧化物或氢氧化物。

电化学腐蚀是指金属在电解质中发生的腐蚀现象，通常是由于金属表面与电解质中的离子发生电化学反应而导致的。其主要特征是腐蚀速度较快，腐蚀产物通常为金属离子和气体。

应力腐蚀是指金属在受到应力作用的情况下发生的腐蚀现象，通常是由于金属表面受到应力而导致的。其主要特征是腐蚀速度较快，腐蚀结果通常表现为裂纹和断裂。

在核电机组停机期间，碳钢类设备（如高低压加热器）主要发生的是以大气腐蚀和电化学腐蚀为主的腐蚀。主要表现是表面出现锈蚀和腐蚀斑点，甚至可能出现局部腐蚀和孔洞。

2.2停机腐蚀

停机腐蚀是由金属表面与大气中的H2O和O2发生电化学反应而引起的。腐蚀的程度与金属表面的湿润程度有关，可分为干环境、湿环境和潮湿环境三种类型。潮湿环境下的腐蚀速率相对于干燥环境要大很多。在停机期间，设备内表面因水蒸气凝结可能导致表面形成薄液膜，需采取措施避免表面积水和形成水蒸气凝聚层，减缓设备腐蚀的程度。

核电厂的高低压加热器的换热管两侧水质好，水中含有的化学腐蚀类介质少，可以忽略因酸碱等化学试剂所产生的化学腐蚀，但因为机组在停运前高低压加热器处于运行时的高温状态，容器内部的流体排空后，装置本体仍具有较高的温度，且内部空间残留的水份在高温下蒸发生成水蒸气会弥散至整个空间。待设备表面逐渐冷却后，蒸汽冷凝会在所有的内表面生成水膜。且排空后空气会填充内部空间，形成一个封闭的潮湿有氧的环境，非常有利于电化学腐蚀和大气腐蚀的发生。

2.3停机腐蚀的影响因素

停机腐蚀的影响因素包括相对湿度、薄膜存在时间、温度、污染物颗粒和金属材料等。相对湿度是影响停机腐蚀的关键因素之一，当空气中的水分在金属表面形成薄液膜时，电化学腐蚀会加速发展。薄液膜存在的时间越长，导致的腐蚀量就越大。温度也是影响停机腐蚀的重要因素之一，温度可影响薄液膜的形成速度和电化学腐蚀反应速度。腐蚀环境也是影响停机腐蚀的因素之一，不同金属材料的腐蚀速率不同，有些金属材料容易受到停机腐蚀的影响。此外，停机腐蚀还与设备的设计和制造有关，如设备内部的几何形状、表面处理和材料选择等因素都会影响停机腐蚀的程度。因此，在设备的设计和制造过程中，需要考虑停机腐蚀的因素，采取相应的措施来减少设备的腐蚀。

2.4停机腐蚀的控制方法

降低相对湿度:机组停机时二回路介质排出过程中仍会有不少的介质残留在换热设备内部,在机组停运后因为设备的残留热量加热,使得残留的水被加热蒸发而填充整个容器内部并在低温部分的金属表面冷凝形成液膜,因此在满足打开人孔的条件后,应尽快将设备内部残留的积水及时清理,常规操作中对于高低压加热器还需对不锈钢换热管利用压缩空气进行吹扫,以加快不锈钢换热管内部水膜的去除。通过去除换热设备内残留的积水以及换热管内残留的水/冷凝水后,可以减少换热设备内部的相对湿度。

减少液膜存在时间:通过尽快降低相对湿度,减少了设备内部残留积水或冷凝水的总量,使得设备在后续保养过程中不会因内部残留的积水二次蒸发形成液膜,减少了设备发生电化学腐蚀的总量。

保持碳钢表面清洁:在高低压加热器开启人孔的同时,对封头部位存在的杂质和腐蚀产物进行冲洗清除,减少碳钢部件表面杂质可以降低腐蚀速率,且清理过程也会一并将残留的水进行清除,冲洗过程也会将积水中的酸性物质加速稀释,即使残留的溶液也趋于中性,可延缓腐蚀的总量。

3高低压加热器保养优化

3.1干风保养

根据《火力发电厂停(备)用热力设备防锈蚀导则》(DL/T956-2017)的规定,火电机组汽水系统通常采用碳钢材料。当空气中的相对湿度超过60%时,碳钢的腐蚀速度会急剧增加。相对湿度在60%到100%之间时,碳钢的腐蚀速度是相对湿度在30%到55%之间的100到1000倍。因此,机组停(备)用期间需要维持设备内部的相对湿度低于临界值,以有效保护设备免受腐蚀。常规的方法是使用干燥设备将空气干燥后再输入设备内部

,通过干燥空气带出设备内部的水蒸气和水分,防止设备内部产生液膜,减缓腐蚀的程度。

3.2高低压加热器常规保养方案

核电厂常规岛0米层安放有多台高低压加热器,且高低压加热器换热管使用不锈钢材质制造,封头及筒体采用碳钢,保养不佳时腐蚀的可能性很大。现有方案是在大修过程中待高低压加热器温度降低至满足开启人孔条件后开启人孔,通过清理封头部位的积水和腐蚀产物后,利用压缩空气管道和海绵球将不锈钢换热管内部的积水进行吹扫,待所有换热管均完成吹扫后安装防异物挡板定期监测内部湿度。

因为高低压加热器数量多,分布范围广。每台设备均安装干保养设备的成本高,且高低压加热器与其他设备之间连接的管道多,难以实现完全隔离,故采用常规措施将高低压加热器内部换热管及封头的水去除以便降低水汽含量进行保护。

3.3保养方案优化

3.3.1开启人孔后及时清理杂物并利用清水清洗封头:

待机组停运设备降温至满足人孔开启条件后,优先将封头部位的积水和腐蚀产物进行清理。清理过程中需要注意避免异物和工具遗漏,操作过程所携带进入高低压加热器内部的物品及工具均进行登记,并进行清点。清理完杂物后为了避免管侧残留溶液中含有其他化学物质,使用清水进行冲洗或擦洗,减少后续海绵球清理时黏附机械杂质或化学腐蚀污染物的风险。

3.3.2利用海绵球清理不锈钢传热管内腐蚀产物

在完成封头清理后,利用海绵球和压缩空气对不锈钢换热管进行冲洗吹扫,可以将不锈钢换热管内壁黏附的污染物及水珠进行去除,清理过程中可在海绵球射出侧安装搜集网进行收集,避免海绵球快速喷出后飞出封头遗落地面,也便于海绵球的回收使用。海绵球在重复使用时应进行清洗,放入前将海绵球挤出存水。海绵球重复通过不锈钢换热管后可以带出积水,仅有水膜残留。

3.3.3利用压缩空气吹扫不锈钢传热管

压缩空气吹扫不锈钢传热管的作用主要是输送海绵球清理积水和管道内可能的腐蚀产物,大流量的高速空气可以将传热管内的水膜携带向下游移动,减少传热管内部水膜的厚度。同时常规岛供应的压缩空气已经经过干燥设备去除水分,属于干燥空气,干燥空气吹扫也可以将管道内部的水分部分带出。

3.3.4利用涡流管发生器产生热干燥空气吹扫不锈钢传热管

涡流管是一种常用于冷却器的技术,该设备没有运动部件，依靠压缩空气提供的能量就可以同时获得热风和冷风的效果，且降温幅度可以达到40℃左右，热风温度最高可以达到120℃。该设备的冷热风的温度可以通过热气出口侧的调节阀门调节出气比例，实现调整高温和低温空气温度的目的。

图1:涡流管工作原理图

Figure 1: Working principle diagram of vortex tube

基于涡流管的上述特点,在高低压加热器换热管经过海绵球吹扫后,换热管内壁仍残留有水膜,为了将水膜去除常规手段时长时间利用压缩空气进行吹扫,但实际干燥效果难以评判(不能以出风口无水滴流出视为换热管内壁水膜已干燥)。只能通过长时间连续接通压缩空气进行干燥，压缩空气消耗量大，且需要较长的处理时间。

本方法中可以利用涡流管热气端产生的热空气进行加热吹扫，则可以大大降低处理时间,也可以提高吹扫除水膜的效果。在利用压缩空气进行常规吹扫和海绵球冲洗吹扫后，换热管内部的水量得到降低,再利用涡流管的热风端插入到不锈钢换热管内进行热风吹扫,可以在短时间内实现换热管内部水膜的完全去除(干燥热风吹扫可以有效去除换热管内壁水膜)。

因为涡流管加热过程无需用电,也不使用化石燃料,在密闭空间作业过程中不会引入电气安全和火灾风险，也不会因为燃烧燃料产生窒息或者中毒的风险。而涡流管所需要的能源输入——压缩空气与常规吹扫需要的压缩空气无差异,无需引入新的设备。且将涡流管出口加热空气温度设置成50-60℃时,涡流管消耗的压缩空气流量量以及产生的温度均满足安全条件,不会造成工业安全限制因素,满足施工条件。

3.3.5安装管道封堵板

为了避免高低压加热器吹扫完湿度达标后,因为管侧管道与其他设备联通造成水汽输送,进一步使得已完成干燥除湿后的高低压加热器换热管及封头再次冷凝生成水膜,可以在换热器的管道出入口位置装设封头/堵板,增加水汽传输阻力,减少不同设备之间的互相影响,延长保养效果。此外封堵板除了起到隔绝相邻系统/设备内的水份的作用外，还可以起到防止大修期间异物进入管道，便于及时发现异物引入的风险。

3.3.6放置干燥剂包

在完成上述操作步骤后,为了便于后续检查并防止外部异物的进入,可以在防异物检查结束后在封头内放置合理数量的干燥剂包,并做好记录,干燥剂包应使用透气性较好且不易破损的材料盛装,避免取放过程发生破损泄露,造成异物进入。干燥剂包的作用是在大修停运过程中将各种途径进入高低压加热器内部的水分进行吸收。当定期检查过程中发现干燥剂包发生干燥剂失效时及时进行更换并对干燥剂进行加热再生,干燥剂可以延长相关设备内部的保养持续时间,避免水膜的产生

,达到预期的保养条件。

4结语

在停机检修启动时，注意提前清理杂物并利用清水清洗封头，以保持碳钢表面清洁，减少腐蚀速率。并利用压缩空气将高低压加热器的管热管进行逐一的吹扫并用海绵球进行清洗，既可以清理管道内的污染物，又可减少管道内部水膜的厚度。为了有效去除高低压加热器内部的水膜，采用涡流管发生器产生干燥热空气进行加热吹扫换热管，加快管道内壁水膜的干燥过程，大大降低处理时间，提高吹扫除水膜的效果。同时，在高低压加热器常规保养方案中，可以安装管道封堵板和防异物挡板，并放置干燥剂包，以延长保养效果，避免水膜的产生。通过这些优化方案，可以有效保护设备免受腐蚀，延长设备的使用寿命，降低设备维护成本。

参考文献：

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[2]张兆、党志军、文慧峰、连卫.干风保养技术在火电机组汽水系统全保护中的应用[J],《东北电力技术》2022年第43卷第3期。

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