板式热交换器的故障分析与设计改进

□朱玉隆

秦山核电二厂4台机组为M310堆型，常规岛辅助冷却水系统(SEN系统)的功能是为常规岛闭式冷却水系统(SRI系统)提供冷却水，来自循环水系统(CRF系统)的海水流经自动清洗滤水器，再经海水升压泵升压后，通过SEN/SRI热交换器带走SRI系统排出的热量，并将热量通过CRF系统排回到大海中。自商业运行以来，SEN/SRI热交换器故障频发，热交换器板片故障引起SRI系统除盐水泄漏到SEN系统中，从而导致SRI系统运行过程中需频繁补水、加药及进行板片修理或更换。另外，SRI系统为汽轮机、发电机、给水泵等辅助设备冷却器提供冷却水，而SEN/SRI热交换器的换热效率不足将影响常规岛这些重要设备的冷却和行使正常功能。

一、板式热交换器结构

SEN/SRI板式热交换器由传热板片、密封垫片、固定压板、活动压板、支撑梁、上导轨和加紧螺栓等主要零部件构成。传热板片是由纯钛板一次压制成型的长方形板片，相邻板片相互180°倒置组合后，依次排列在支架上，采用固定压紧板和活动压紧板由压紧螺杆压紧。每个板片上的四个角孔，组装后依次叠加形成流体的分流总管，相邻板片间形成迷宫式流体通道，使换热介质在相邻通道内逆向流动并进行充分的热交换。

二、故障分析

结合SEN/SRI板式热交换器故障特征信息和运行工况，进行实验和理论分析，找出故障频发的根本原因。故障模式主要有钛板减薄/穿孔、钛板变形、板片密封失效等三类。

(一)钛板减薄/穿孔原因分析。钛板减薄/穿孔部位主要位于海水进口区和导流区。穿孔部位未发现微裂纹、疲劳辉纹等低应力断裂特征，判断钛板穿孔不属于疲劳损伤。从微观形貌上看，穿孔周围区域钛板表面粗糙，存在不同程度的减薄，存在尺寸微米或亚微米级密集微坑和局部犁沟等典型磨损特征。通过五种不同含沙量的模拟海水对钛板的冲刷实验发现，细小的海水泥沙不会造成板间堵塞而使板间局部海水流速升高；但海水较高的含沙量会加大板片冲刷磨损的速率。另外，当海水含泥沙等悬浮固体颗粒形成固液两相流时，钛板将受到机械磨损和电化学腐蚀的共同相互增幅的作用。在两相流的表面微切削和冲击碰撞共同作用下，钛板表面氧化物遭受破坏，裸露钛基体上重新生成氧化膜，氧化膜破坏和生成的循环过程导致钛板减薄直至穿孔。

(二)钛板变形原因分析。钛板变形可能导致板式热交换器密封不良、板片之间流速及流态变化和接触点微动磨蚀。板式热交换器钛板变形的主要原因可能有：板片整个周长受力不均匀；SEN和SRI侧流体压力波动大；钛板刚性不足；钛板局部支撑不足等，排查如下：第一，规程中明确了板片整体压紧尺寸要求，可避免过度压紧或受力不均而造成板片损伤，且维修记录显示不存在过度压紧情况，基本可排除板片周边受力不均匀因素；第二，测量正常运行期间热交换器的SEN侧和SRI侧入口的压力波动，测量值远低于流体压力波动造成板片变形的波动阈值，不存在流体压力波动大的因素；第三，板片厚度为0.6mm，满足《板式换热器用钛板》(GB/T14845-2007)标准规定的0.5～1.0mm厚度范围要求，钛板可以承受压差而不会造成挠曲变形；第四，板片组装后，相邻板片人字形波纹十字交叉，形成大量的X型接触点，这些接触点维持板间距，并具有良好的板片支撑效果，但人字形波纹区域外其它部位的支撑不良，将导致钛板局部变形并降低板片挠曲部位的密封垫载荷，降低其密封性。

(三)钛板密封失效原因分析。板式热交换器通道口周围的橡胶密封垫为双道密封垫，能有效防止不同介质相互混流。根据历次维修数据统计分析确认，SEN/SRI板式热交换器钛板橡胶密封垫故障的主要原因是板片多次拆装导致弹性恢复性能劣化、钛板局部变形导致密封垫载荷降低等。

三、设计改进

(一)热交换器换型。秦山核电所处杭州湾，海水中悬浮物和泥沙含量高，现行海水流速设计值不适合现用板式热交换器，因此考虑换型。秦山核电一厂于2007年将板式热交换器换型为折流杆管壳式水-水热交换器，投运至今运行情况良好。另外，秦山核电方家山两台机组的SEN/SRI热交换器原设计为折流杆管壳式水-水热交换器，至今运行情况良好。因此，可将SEN/SRI热交换器从板式更换为折流杆管壳式。

根据运行工况，设计折流杆管壳式热交换器的参数。传热管设计规格为Ф20×0.6×7,500，数量为1,860根，壳体内径1,342mm等。经计算，换热面积裕量η=(F-Fg)/Fg=12%，(F——设计换热面积，Fg——计算换热面积)说明换热能力满足设计要求。

海水在管程流动时，如流速过低，则会发生沙土沉积。当流体的速度处于临界沉积速度Vm2时，在管壁处有可能发生固体沉积，如果速度大于Vm2时，一般不发生沉积。

Newitt公式：

g——重力加速度，9.81；d——颗粒直径；CD——阻力系数，处于紊流时CD=0.44；S=ρP/ρ，ρP——颗粒密度，海沙密度：2.3t/m3；ρ——液体密度，海水密度：1.1t/m3。

根据对秦山核电取水口杭州湾的水质取样，取泥沙颗粒最大直径0.08mm时，Vm2=0.866m/s。因此在流体速度大于0.9m/s时，基本上不会产生沉积堵塞现象，而折流杆管壳式水-水热交换器的设计流速为1.1m/s，即超过泥沙的悬浮速度，因此不会产生沉积现象而导致换热能力不足。

(二)取消SEN海水升压泵。SEN海水升压泵为热交换器提供规定流量的海水，在运行期间也频繁发生故障。SEN/SRI板式热交换器更换为折流杆管壳式后，计算发现换热器的阻力明显降低。

管程总阻力：△P2=(n2*△P2′+△Pn)*φ2

n2——流程数,1；△P2′——直管段阻力；△Pn——管箱进出口阻力；φ2——结构修正系数，1.5。

△P2′=L*λ管*ρ2*u2^2/di/2，△Pn=0.75*ρ2*u2^2

L——传热管长度，7.5m；λ管——摩擦系数，0.0235；ρ2——冷侧水比重，1,000Kg/m3；u2——管内流速，1.1055816；di——传热管内径，18.8mm。

经计算，管程总阻力为0.00996947Mpa,说明折流杆管壳式热交换器的SEN海水侧的阻力非常小。另外计算SEN侧海水的流量为2,055t/h，已满足系统设计要求，因此可以取消SEN海水升压泵。

四、结语

SEN/SRI板式热交换器更换为折流杆管壳式后，已消除了换热器故障往外漏水问题。大修中对传热管的涡流检查发现，传热管1年来壁厚未出现明显减薄迹象。如果出现部分传热管壁厚减薄到设计值，则可进行单根传热管堵管，避免传热管内漏造成SRI系统除盐水泄漏到SEN系统的海水中。折流杆管壳式热交换器的钛管管束直通，不易受堵，适用于较差的海水水质。