秦山第二核电厂RRISEC热交换器海水内漏的理论分析及预防措施

苑景凯

摘 要：该文主要运用理论联系实际的方法深入计算并论证了秦山第二核电厂（以下简称秦山二厂）RRI/SEC热交换器发生海水内漏缺陷的可能性。通过深入分析，确定了处于备用列的RRI/SEC热交换器发生海水侧向除盐水侧泄漏的可能性。同时也介绍了RRI/SEC热交换器发生海水内漏的危害以及防止热交换器内漏的预防措施，以与同仁进行探讨。也可供同类核电厂设计人员及核电厂同仁参考。

关键词：秦山二厂 板式热交换器 伯努利方程 海水内漏 预防措施

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（b）-0105-04

压水堆核电M310机组的RRI/SEC板式热交换器主要负责将核岛相关设备产生的热量传递给电站最终的热阱——海水，如果热交换器的板片等部件发生故障而产生内漏，可能会导致海水进入除盐水RRI侧，进而危害核岛重要设备的安全运行，影响电站的可靠性、可用率。文章以提高电站设备运行的可靠性为出发点，以秦山第二核电厂为例，分析并论证了RRI/SEC热交换器发生海水内漏缺陷的可能性，提出了防止板式热交换器内漏的预防措施，以资同行参考。

1 设备冷却水系统（RRI）压力设计原理及功率运行工况下的运行方式

基于设备冷却水系统（RRI）在核电厂中的功能，该系统的压力在设计上不能低于安全厂用水系统SEC海水侧的压力，使得海水有可能漏入RRI水侧引起核设备的结垢和腐蚀；同时在大多数情况下不能向一回路系统（核岛热负荷）侧泄漏，导致可能的核电厂一回路误稀释而引发反应性事件。因此，RRI系统运行列在设计上已经保证了足够的压力来防止海水漏入及海水漏入后的不良后果。

在机组正常功率运行工况下，设备冷却水系统（RRI）仅运行任意一个系列的一台RRI泵，公用环路由该运行的系列提供冷却水，停运列的列间隔离阀保持关闭状态。以RRI系统A列处于运行状态为例，则RRI 001PO或RRI 003PO运行状态，RRI 002PO与RRI 004PO处于停运状态，列间隔离阀A系列的041VN和058VN保持开启，B系列的040VN和059VN保持关闭状态。

2 安全厂用水系统（SEC）功能及功率运行工况下的运行方式

秦山二厂安全厂用水系统（SEC）是一开式海水循环系统，主要功能是把由设备冷却水系统（RRI）收集的热负荷输送到最终热阱——海水，该系统由两个独立的冗余系列A列、B列组成。即每个系列的设计要保证可冷却RRI/SEC 板式热交换器（50%×2）。

在机组正常功率运行工况下，一个系列的一台泵运行即可满足本机组对该系统的设计要求，且SEC系统和RRI系统的系列是对应运行的，另一个SEC系列应处于备用状态，但是秦山二厂安全厂用水系统（SEC）取自杭州湾的海水。由于杭州湾地处江海交汇处，是钱瑭江的出海口，江河之水携带有大量的泥沙入海，导致海水中的泥沙含量较高，为防止泥沙沉积堵塞管道、泵壳及板式热交换器，从而导致核电厂失去热阱事件的发生，安全厂用水系统（SEC）除运行系列的一台SEC泵保持运行外，其备用系列亦同时保持一台SEC泵运行。根据电厂的生产运行计划，列间切换每两周一次（同RRI）。

鉴于设备冷却水系统（RRI）与安全厂用水系统（SEC）在机组正常功率运行工况下运行方式的差异，一旦设备冷却水系统（RRI）备用列的RRI/SEC板式热交换器的钛板有泄漏，是否有可能导致海水进入RRI水侧从而引起可能的核设备结垢和腐蚀呢？

3 备用列RRI/SEC板式热交换器除盐水侧的压力计算

下面以秦山二厂1#机组在正常功率运行工况下，RRI系统及SEC系统的A列为例进行论述。

鉴于RRI系统在功率运行工况下的运行方式，备用列的RRI泵处于停运状态，根据该系统的流程图及其在现场的布置情况，备用列的RRI/SEC板式热交换器RRI侧的压力是由该备用列的高位波动水箱提供。根据安装施工位置图，（见图1）1RRI001BA波动水箱中心线标高是+17.37 m。机组功率运行工况下液位平均值在161.098 mm即1.61 m，而波动水箱设计最大液位值1.75 m，则波动水箱液位在平均值时的标高应为：1.61 m-（1.75 m/2）+17.37 m=18.105 m。而设备冷却水系统（RRI）A列RRI/SEC板式热交换器安装在标高±0 m处。根据液体的压强计算公式计算备用列的RRI/SEC板式热交换器RRI侧的压力，式中是RRI系统介质的密度，根据秦二厂1#机组RRI系统介质化学特性，其密度在1 000.2至1 001 kg/m3之间，g=9.81 m/s2，h值取设备冷却水系统（RRI）A列波动水箱的液位平均值与A列RRI/SEC板式热交换器标高的高度差，即是h=18.105 m，计算出的备用列的RRI/SEC板式热交换器RRI侧的压力=（1000.2～1 001 kg/m3）×9.81 m/s2×18.105 m

≈0.178 MPa.g。

4 备用列RRI/SEC板式热交换器SEC侧的压力计算

4.1 RRI/SEC板式热交换器SEC侧的压力计算式

根据能量守恒的伯努利方程

取安全厂用水系统SEC泵A列出口母管SEC001MP所在的位置为截面-，取A列的RRI/SEC板式热交换器001RF的SEC管道进口处为截面-，则RRI/SEC板式热交换器SEC侧的压力=++-。

4.2 热交换器SEC侧压力计算式中静压、位压、动压计算

4.3 热交换器SEC侧压力计算式中不可逆压力损失的计算

是管道的壁面摩擦压降、形阻压降、A列贝类捕集器进出口压降之和，其计算式为：=+，，，表示SEC海水管道的摩擦系数（以海水水温为20℃时的值为例计算）；L表示截面-到截面的SEC管道的长度；D表示SEC海水管道的直径；表示SEC海水管道的形阻系数即管道的局部阻力系数Kf。（见表1）

（1）中包含的总摩擦压降的计算。从截面-到截面之间管道的分段摩擦压降计算如下：根据GA沟SEC系统管道施工图，GA沟至NX厂房贝类捕集器前的SEC海水管道长度L=215m，=2.17m/s。摩擦系数即，可参照表1取值。

根据表1，摩擦系数即值取决于杭州湾海水雷诺数Re，而Re=，式中为流体的粘滞系数，且=×海水的运动黏度值。而海水水温在20℃时的海水的运动黏度值为0.0101，则=1 027.5 kg/m3×0.0 101×10-4 m2/s=0.00 104 kg/m·s。计算得海水水温在20℃时的雷诺数Re≈1.5×106，也即SEC管道内的海水流为湍流状态，根据表1中的3号水力光滑管区摩擦系数计算公式，进行试差得出=≈0.012。根据摩擦压降的计算公式，GA沟内SEC系统管道的摩擦压==0.012×≈8.92kPa。根据NEF厂房-7.00mSEC管道平面布置图及剖面图。A列贝类捕集器出口至A列RRI/SEC热交换器入口母管SEC049SP接口处的SEC管道的摩擦压降的计算如下：管道直径D=728mm，海水流速=≈2m/s，根据雷诺数计算公式及摩擦系数计算公式，此流速对应的摩擦系数=≈0.011，管道的长度L=（±0m）-（-6.242m）++（2 500mm-750mm）=11.527m。计算==0.011××=0.358kPa。根据NEF厂房±0.00mRRI/SEC管道平面布置图及管道布置剖面图，A列RRI/SEC热交换器SEC侧入口母管SEC049SP接口处至热交换器钛板入口处的SEC管道直径D=508mm，管道内的海水流速=2.06m/s，根据雷诺数计算公式及摩擦系数计算公式，此流速对应的摩擦系数=≈0.014，此段管道长度L=758mm/+3 600mm+1 679mm+（1840-450）mm+2×（2 546-653）mm≈11.527m，计算=0.014××=0.874kPa。根据上述计算得出从截面-到截面之间管道的总摩擦压降：8.92kPa+0.358kPa+0.874kPa=10.152kPa。

（2）中包含的总形阻压降的计算。从截面-到截面之间管道的形阻压降计算如下：根据电厂GA沟工艺布置图，A列SEC管道在GA沟段形成45度弯管处共6处。在完全湍流条件下典型尺寸管件的局部阻力系数计算可应用长径比（Le/D）当量法进行计算，即形阻系数，=0.012。45度弯管的局部阻力系数=0.012×16=0.192，局部阻力压降=0.192×=≈0.464kPa，GA沟内A列SEC管道的总形阻压降=0.464×6=2.784kPa。根据NEF厂房-7.00 m SEC管道平面布置图及-4.50 m和-7.00 m厂房剖面图，A列贝类捕集器出口至A列RRI/SEC热交换器入口母管SEC049SP接口处的SEC管道布置形成45度弯管处1处，90度弯管处2处。45度弯管处的局部阻力压降为：0.011×16×≈0.362kPa。90度弯管处2处的局部阻力压降之和为：0.011×30××2≈1.356kPa。则A列贝类捕集器出口母管SEC025SP接口处至A列RRI/SEC热交换器入口母管SEC049SP接口处的SEC管道的总局部压降为：=1.356kPa+0.362kPa=1.718kPa。根据NEF厂房±0.00mRRI/SEC管道平面布置图及剖面图。RRI/SEC热交换器SEC侧SEC049SP接口处至热交换器钛板入口处之间有90度弯管4处，三通连接管一处，蝶阀一个为1SEC201VE。90度弯管处4处的局部阻力压降之和为：0.014×30××4≈3.663kPa，三通连接管处的局部阻力压降计算为：0.011×60×≈1.356kPa。取闸阀的长径比=8计算蝶阀的局部阻力压降为：0.014×8×≈0.244kPa。则A列RRI/SEC热交换器SEC侧入口母管SEC049SP接口处至热交换器钛板入口处之间的总局部压降为：=0.244kPa+1.356kPa+3.663kPa=5.263kPa。

根据上述计算，从截面-到截面之间管道的总形阻压降：=++=2.784kPa+1.718kPa+5.263kPa=9.765kPa。

（3）中包含的贝类捕集器进出口压降。

在功率运行工况下，A列贝类捕集器的压降取平均值=12.18kPa。根据上述计算，=+=10.152kPa+9.765kPa+12.18kPa=32.097kPa。根据伯努利方程得出备用列RRI/SEC板式热交换器SEC侧的压力=++-=0.372MPa-0.130MPa+0.240kPa-32.097kPa=0.242MPa-0.032MPa=0.21MPa.g。

因此，根据上述的计算与分析，备用列RRI/SEC板式热交换器SEC侧的压力0.21MPa.g大于备用列的RRI/SEC板式热交换器RRI侧的压力0.178Mpa.g，如果备用列的RRI/SEC板式热交换器存在缺陷或故障，SEC侧的海水就会泄漏到RRI系统。而秦山二厂RRI/SEC板式热交换器泄漏的主要故障模式是泥沙含量较大的海水对钛板的冲蚀导致钛板减薄并最终导致钛板穿孔而泄漏。因此，在RRI/SEC板式热交换器存在泄漏故障时，SEC侧的海水可能就会通过备用列的板式热交换器泄漏到RRI系统。

5 海水泄漏到RRI系统的危害

漏入RRI系统的海水会随着备用列RRI泵的启动运行循环冷却核岛的相关热交换器，并对核岛热交换器引起可能的腐蚀、结垢从而影响核岛重要设备的运行；并影响核岛热交换器的使用寿命；在机组的某些工况下，含有海水等杂质的设备冷却水可能直接泄漏入一回路导致一回路的放射性水平升高；这些都影响着电站运行的安全和稳定性。

6 防止海水泄漏到RRI系统的预防措施

鉴于RRI＼SEC系统当前的运行方式，备用列热交换器钛板两侧的压力差暂无法改变。为了防止海水可能泄漏到RRI系统备用列引起可能的不良后果，建议采取下述措施。

（1）实施化学监测，以便及时发现泄漏。建议同时对RRI系统处于备用列的RRI介质按照化学和放射性化学技术规范进行定期取样，尤其是RRI冷却水中的F-离子，CL-离子含量以及电导率，以便及时发现热交换器的泄漏并进行检修。（目前取样仅针对运行系列实施）（2）对换热器钛板实施改进。鉴于目前RRI系统水温比期望值较低，可考虑更换加厚的钛板，以进一步降低钛板泄漏的可能性，提高热交换器的使用寿命。（3）对热交换器的薄弱环节橡胶密封垫设置定期的PM预维项目，以防止密封垫片因老化或脱落而导致热交换器泄漏。（4）对已有的防止热交换器泄漏的预维PM项目（板式热交换器清洗，热交换器板片更换，热交换器内、外部腐蚀检查）实施进一步优化以进一步降低钛板泄漏的可能性，提高热交换器的使用寿命。（5）加强对设备冷却水系统（RRI）处于备用列波动水箱的液位监视，以便及早发现泄漏。6）对于新建电厂可考虑将RRI/SEC板式热交换器换设计成管式热交换器。

参考文献

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