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(duì)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(hào)，其信號(hào)分布具有一定的規(guī)律性。本文對(duì)凝汽器渦流檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，歸納其規(guī)律性；通過(guò)試驗(yàn)的方式對(duì)凹陷傳熱管的質(zhì)量進(jìn)行影響分析，結(jié)合凹陷傳熱管形成原因排查，得出渦流檢測(cè)變形傳熱管對(duì)其質(zhì)量影響可接受，其凹陷產(chǎn)生原因?yàn)楣こ态F(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)備落座期間頂升不同步導(dǎo)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(diǎn)，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(nèi)正壓海水會(huì)通過(guò)破口進(jìn)入負(fù)壓二回路中，其海水中Na+、Cl-等有害離子的進(jìn)入將導(dǎo)致二回路水污染進(jìn)而對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。目前核電廠主要采用內(nèi)穿過(guò)式渦流檢測(cè)方式對(duì)凝汽器鈦管進(jìn)行預(yù)防性檢查，以期盡早發(fā)現(xiàn)傳熱管異常，減少鈦管泄漏對(duì)機(jī)組的影響。某核電廠在機(jī)組商運(yùn)前現(xiàn)場(chǎng)安裝階段對(duì)凝汽器傳熱管執(zhí)行了渦流檢查工作，其檢測(cè)結(jié)果具有一定的規(guī)律性。本文對(duì)本次鈦管渦流檢測(cè)結(jié)果加以分析及試驗(yàn)總結(jié)，意在通過(guò)其缺陷分布規(guī)律及試驗(yàn)，得到缺陷的成因及影響，降低設(shè)備在役期間損傷風(fēng)險(xiǎn)。凝汽器渦流檢測(cè)結(jié)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(gè)模塊迎氣區(qū)壁厚0.711mm鈦管1294根全檢，主凝結(jié)區(qū)和空冷區(qū)0.559mm的鈦管抽檢467根，總計(jì)（1294+467）×4=7044根。檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)某模塊1761根被檢測(cè)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(cè)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(hào)分布所處支撐渦流幅值范圍總計(jì)<20>2021912033844244461171187315022391111214112411252227222911302231113311總計(jì)158156314規(guī)律性2：對(duì)凹陷部位補(bǔ)充執(zhí)行內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)，針對(duì)發(fā)生凹陷信號(hào)較多的第八支撐板部位存在共性的環(huán)狀顯示圖1內(nèi)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(chǎng)對(duì)幅值較大的（121.35V）第184排第81根傳熱管進(jìn)行了拔管處理，以驗(yàn)證凹陷對(duì)傳熱管質(zhì)量的影響。缺陷管成分分析實(shí)驗(yàn)室對(duì)拔出管的成分進(jìn)行了測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如下表所示。檢測(cè)結(jié)果滿足ASMESB338標(biāo)準(zhǔn)要求。表2：成分分析驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室對(duì)損傷部位進(jìn)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(nèi)表面直接觀察無(wú)明顯形變。凹陷部位圖2環(huán)向顯示部位凹陷傳熱管內(nèi)外表面滲透檢測(cè)結(jié)果無(wú)顯示。證實(shí)傳熱管凹陷部位未產(chǎn)生其他表面缺陷，且凹陷部位的結(jié)構(gòu)突變不明顯。測(cè)量凹陷雙環(huán)間距，其數(shù)值與凝汽器隔板厚度一致。對(duì)凹陷部位界面進(jìn)行20倍放大觀察，其界面未見(jiàn)缺陷以及壁厚突變現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了滲透檢測(cè)的結(jié)果。圖3顯微鏡下（20倍）凹陷形貌采用顯微鏡對(duì)凹陷的尺寸進(jìn)行測(cè)量，其內(nèi)凹深度為0.05mm。凹陷缺陷力學(xué)試驗(yàn)分析實(shí)驗(yàn)室對(duì)拔出管預(yù)料進(jìn)行凹陷缺陷試樣加工，并對(duì)渦流檢測(cè)驗(yàn)證僅存在DNT信號(hào)的傳熱管進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。表3：拉伸試驗(yàn)驗(yàn)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(qiáng)度(MPa)≥345424420屈服強(qiáng)度(MPa)275-450352352伸率(%)≥203637斷裂部位1/2處凹陷之間圖4拉伸試驗(yàn)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，凹陷傳熱管的力學(xué)性能指標(biāo)合格。且無(wú)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(zhuǎn)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(shí)凹陷的存在不影響傳熱管的力學(xué)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(jì)算模型。圖5有限元分析模型拉應(yīng)力分析含壓痕的冷卻管在受拉狀態(tài)下其壓痕處最大應(yīng)力與均勻段應(yīng)力值比為1.908/1.873=1.019.壓痕對(duì)受拉作用下的冷卻管應(yīng)力影響不到2%。由于管束設(shè)計(jì)壽命下安全裕量超過(guò)50%，即安全系數(shù)至少達(dá)到1.5，因此壓痕的影響可以忽略。強(qiáng)度分析內(nèi)壓作用下含壓痕的傳熱管在Von-Mises應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算下壓痕處與均勻段管應(yīng)力強(qiáng)度差異非常小，應(yīng)力云圖上已分辨不出。彎曲應(yīng)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(wú)壓痕的冷卻管彎曲應(yīng)力相差0.03MPa，由于最大彎曲應(yīng)力17.604MPa遠(yuǎn)小于許用應(yīng)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(píng)估管束流質(zhì)振動(dòng)的重要參數(shù)，管束設(shè)計(jì)時(shí)傳熱管的固有頻率需避開(kāi)流質(zhì)振動(dòng)的激勵(lì)頻率并保留20%以上的余量。為檢查壓痕對(duì)傳熱管固有頻率的影響，分別對(duì)含壓痕傳熱管的固有頻率和無(wú)壓痕的固有頻率進(jìn)行比較。經(jīng)過(guò)分析得出有壓痕的冷卻管的固有頻率為115.927Hz，無(wú)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(duì)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(chǎng)安裝期限，其凹陷的成因發(fā)生在設(shè)計(jì)、制造安裝時(shí)期。現(xiàn)對(duì)三個(gè)時(shí)期的產(chǎn)生原因進(jìn)行假設(shè)、分析。設(shè)計(jì)A．管子的振動(dòng)凝汽器振動(dòng)根據(jù)美國(guó)HEI《表面式凝汽器標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于0.5mm壁厚的鈦管而言，常規(guī)設(shè)計(jì)的隔板間距約為700～800mm。本項(xiàng)目凝汽器考慮了各種最嚴(yán)格的工況，實(shí)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(dòng)計(jì)算要求。B．傳熱管強(qiáng)度采用壓力容器計(jì)算方法對(duì)冷卻管進(jìn)行計(jì)算，最小允用壁厚為0.032mm，本項(xiàng)目凝汽器管子壁厚取0.559mm/0.711mm。壁厚滿足強(qiáng)度要求。C．管孔的公差根據(jù)圖紙要求，隔板開(kāi)孔Φ25.6mm，上公差為0.4mm，下公差為0，由此可知隔板開(kāi)孔在Φ25.6～Φ26mm范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)將冷卻管拔出后，對(duì)該冷卻管第八塊隔板進(jìn)行管孔測(cè)量，實(shí)測(cè)孔徑為Φ25.92mm，滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述：設(shè)計(jì)過(guò)程質(zhì)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(yàn)、孔徑檢驗(yàn)、粗糙度檢驗(yàn)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(guò)3次檢查調(diào)整，均在3mm的要求內(nèi)。C．穿管前的清潔度和穿管過(guò)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(shí)嚴(yán)格控制，制造了穿管平臺(tái)，另外在穿管時(shí)采取多人均勻用力等方法確保了穿管質(zhì)量。若制造階段產(chǎn)生凹陷，則在傳熱管表面會(huì)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(jiàn)明顯縱向劃痕，且拔出管經(jīng)尺寸及同心度測(cè)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。綜上所述：制造過(guò)程質(zhì)量可控，非傳熱管凹陷成因。安裝A.異物掉落凝汽器汽側(cè)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(fēng)險(xiǎn)。但觀察凝汽器汽側(cè)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(yùn)安裝不同步殼體抽出運(yùn)輸裝置時(shí)（兩個(gè)管束模塊已經(jīng)拼接完畢，組成一個(gè)殼體），按照凝汽器安裝說(shuō)明書(shū)要求，采用6個(gè)點(diǎn)頂升，且6個(gè)點(diǎn)需同步緩慢動(dòng)作。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)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(duì)傳熱管產(chǎn)生周向作用力，進(jìn)而形成凹陷