某核電廠凝汽器鈦管凹陷影響及形成原因分析

某核電廠凝汽器鈦管凹陷影響及形成原因分析

蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州，215004Summary：某核電廠工程安裝期間對凝汽器執(zhí)行鈦管渦流檢查發(fā)現(xiàn)某水室存在較多支撐凹陷信號，其信號分布具有一定的規(guī)律性。本文對凝汽器渦流檢測結果進行統(tǒng)計，歸納其規(guī)律性；通過試驗的方式對凹陷傳熱管的質量進行影響分析，結合凹陷傳熱管形成原因排查，得出渦流檢測變形傳熱管對其質量影響可接受，其凹陷產(chǎn)生原因為工程現(xiàn)場安裝設備落座期間頂升不同步導致。Keys：凝汽器；鈦管；凹陷；影響分析概述凝汽器作為核電廠朗肯循環(huán)中的低溫低壓點，在電廠熱力循環(huán)中起著增加電廠熱效率的重要作用。其凝汽器鈦管作為核電廠二回路與海水的換熱邊界，一旦發(fā)生破損，其傳熱管內正壓海水會通過破口進入負壓二回路中，其海水中Na+、Cl-等有害離子的進入將導致二回路水污染進而對設備安全運行產(chǎn)生影響。目前核電廠主要采用內穿過式渦流檢測方式對凝汽器鈦管進行預防性檢查，以期盡早發(fā)現(xiàn)傳熱管異常，減少鈦管泄漏對機組的影響。某核電廠在機組商運前現(xiàn)場安裝階段對凝汽器傳熱管執(zhí)行了渦流檢查工作，其檢測結果具有一定的規(guī)律性。本文對本次鈦管渦流檢測結果加以分析及試驗總結，意在通過其缺陷分布規(guī)律及試驗，得到缺陷的成因及影響，降低設備在役期間損傷風險。凝汽器渦流檢測結果分析本次渦流檢查總量為凝汽器管束總量的13%，檢查策略為4個模塊迎氣區(qū)壁厚0.711mm鈦管1294根全檢，主凝結區(qū)和空冷區(qū)0.559mm的鈦管抽檢467根，總計（1294+467）×4=7044根。檢測結果發(fā)現(xiàn)某模塊1761根被檢測傳熱管中304根傳熱管存在314處支撐凹陷，其支撐凹陷情況發(fā)生比例占檢測比例的17.26%，并且凹陷部位具有一定的規(guī)律性。規(guī)律性1：支撐分布方面集中出現(xiàn)在第8支撐板表1：支撐凹陷信號分布所處支撐渦流幅值范圍總計<20>2021912033844244461171187315022391111214112411252227222911302231113311總計158156314規(guī)律性2：對凹陷部位補充執(zhí)行內窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)，針對發(fā)生凹陷信號較多的第八支撐板部位存在共性的環(huán)狀顯示圖1內窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)環(huán)形缺陷凹陷傳熱管影響分析現(xiàn)場對幅值較大的（121.35V）第184排第81根傳熱管進行了拔管處理，以驗證凹陷對傳熱管質量的影響。缺陷管成分分析實驗室對拔出管的成分進行了測量，其測量結果如下表所示。檢測結果滿足ASMESB338標準要求。表2：成分分析驗收值損傷管N≤0.03%0.003%C≤0.08%0.007%H≤0.015%0Fe≤0.20%0.06%O≤0.20%0.083%殘余元素單體≤0.1%＜0.1%總量≤0.4%＜0.40%Ti余量余量缺陷管凹陷形態(tài)影響分析實驗室對損傷部位進行了軸向線切割處理，切割完成后其表面狀況如下圖所示，軸向觀察存在壓環(huán)的部位在切割后內表面直接觀察無明顯形變。凹陷部位圖2環(huán)向顯示部位凹陷傳熱管內外表面滲透檢測結果無顯示。證實傳熱管凹陷部位未產(chǎn)生其他表面缺陷，且凹陷部位的結構突變不明顯。測量凹陷雙環(huán)間距，其數(shù)值與凝汽器隔板厚度一致。對凹陷部位界面進行20倍放大觀察，其界面未見缺陷以及壁厚突變現(xiàn)象，進一步驗證了滲透檢測的結果。圖3顯微鏡下（20倍）凹陷形貌采用顯微鏡對凹陷的尺寸進行測量，其內凹深度為0.05mm。凹陷缺陷力學試驗分析實驗室對拔出管預料進行凹陷缺陷試樣加工，并對渦流檢測驗證僅存在DNT信號的傳熱管進行力學試驗。表3：拉伸試驗驗收值試樣1試樣2外徑(mm)MAX:25.425.2425.22MIN:25.14625.325.31壁厚(mm)MAX:0.61490.550.55MIN:0.5030.560.56凹陷渦流幅值78.4751.83凹陷加工位置1/4處1/2處抗拉強度(MPa)≥345424420屈服強度(MPa)275-450352352伸率(%)≥203637斷裂部位1/2處凹陷之間圖4拉伸試驗力學試驗結果表明，凹陷傳熱管的力學性能指標合格。且無論凹陷部位在1/4處還是1/2處加工，其斷裂位置并不以凹陷位置不同而轉移。即使凹陷加工在1/2處其斷裂位置也并未斷裂在凹陷部位。由此證實凹陷的存在不影響傳熱管的力學性能。凹陷部位有限元分析采用有限元ANSYS分析建立含壓痕的冷卻管有限元計算模型。圖5有限元分析模型拉應力分析含壓痕的冷卻管在受拉狀態(tài)下其壓痕處最大應力與均勻段應力值比為1.908/1.873=1.019.壓痕對受拉作用下的冷卻管應力影響不到2%。由于管束設計壽命下安全裕量超過50%，即安全系數(shù)至少達到1.5，因此壓痕的影響可以忽略。強度分析內壓作用下含壓痕的傳熱管在Von-Mises應力強度計算下壓痕處與均勻段管應力強度差異非常小，應力云圖上已分辨不出。彎曲應力分析在管外流體作用下，相同橫流載荷作用下，有壓痕和無壓痕的冷卻管彎曲應力相差0.03MPa，由于最大彎曲應力17.604MPa遠小于許用應力132MPa，因此壓痕的影響可以忽略。固有頻率影響分析傳熱管的固有頻率是評估管束流質振動的重要參數(shù)，管束設計時傳熱管的固有頻率需避開流質振動的激勵頻率并保留20%以上的余量。為檢查壓痕對傳熱管固有頻率的影響，分別對含壓痕傳熱管的固有頻率和無壓痕的固有頻率進行比較。經(jīng)過分析得出有壓痕的冷卻管的固有頻率為115.927Hz，無壓痕的冷卻管固有頻率為115.936Hz，兩者之比為0.9999.因此壓痕對固有頻率的影響極小，可以忽略。凹陷傳熱管形成原因分析凹陷傳熱管發(fā)現(xiàn)為工程現(xiàn)場安裝期限，其凹陷的成因發(fā)生在設計、制造安裝時期?，F(xiàn)對三個時期的產(chǎn)生原因進行假設、分析。設計A．管子的振動凝汽器振動根據(jù)美國HEI《表面式凝汽器標準》進行計算，對于0.5mm壁厚的鈦管而言，常規(guī)設計的隔板間距約為700～800mm。本項目凝汽器考慮了各種最嚴格的工況，實際取定凝汽器管隔板間距為580mm，隔板間距為559mm，分別小于最大允許值，滿足各種工況的振動計算要求。B．傳熱管強度采用壓力容器計算方法對冷卻管進行計算，最小允用壁厚為0.032mm，本項目凝汽器管子壁厚取0.559mm/0.711mm。壁厚滿足強度要求。C．管孔的公差根據(jù)圖紙要求，隔板開孔Φ25.6mm，上公差為0.4mm，下公差為0，由此可知隔板開孔在Φ25.6～Φ26mm范圍內滿足設計要求?，F(xiàn)將冷卻管拔出后，對該冷卻管第八塊隔板進行管孔測量，實測孔徑為Φ25.92mm，滿足設計要求。綜上所述：設計過程質量可控，非傳熱管凹陷成因。制造A．管隔板的鉆孔控制管隔板的排列檢驗、孔徑檢驗、粗糙度檢驗均有記錄。B．隔板孔同心度控制其孔同心度在穿防沖刷管前，焊接前，焊接后，經(jīng)過3次檢查調整，均在3mm的要求內。C．穿管前的清潔度和穿管過程控制隔板孔和管板孔先采用壓縮空氣、砂輪去除異物，然后采用丙酮加脫脂白布去油漬等。穿管時嚴格控制，制造了穿管平臺，另外在穿管時采取多人均勻用力等方法確保了穿管質量。若制造階段產(chǎn)生凹陷，則在傳熱管表面會形成明顯縱向劃痕，但傳熱管拔出后及凝汽器觀察發(fā)現(xiàn)傳熱管并未見明顯縱向劃痕，且拔出管經(jīng)尺寸及同心度測量滿足標準要求。綜上所述：制造過程質量可控，非傳熱管凹陷成因。安裝A.異物掉落凝汽器汽側與低壓缸相連，低壓缸安裝階段存在異物掉落撞擊凹陷的風險。但觀察凝汽器汽側頂部傳熱管未發(fā)現(xiàn)異物掉落的一次、二次撞擊痕跡，排除異物掉落產(chǎn)生規(guī)則性凹陷的可能性B.吊運安裝不同步殼體抽出運輸裝置時（兩個管束模塊已經(jīng)拼接完畢，組成一個殼體），按照凝汽器安裝說明書要求，采用6個點頂升，且6個點需同步緩慢動作。經(jīng)現(xiàn)場驗證，第8支撐部位正處于頂升位置附近。頂升不同步使得殼體底板多次受向下的沖擊，殼體底板將沖擊作用力傳至隔板，從而對傳熱管產(chǎn)生周向作用力，進而形成凹陷