传热管管口及管板目视检查异常情况分析

刘佩磊 张建峰

摘  要：核电站中有数量众多的热交换器，而传热管作为热交换器的主要部件正是进行水、汽热交换的关键设备，传热管的性能决定了热交换器的性能。传热管的安全稳定也决定了整个系统的运行安全，对于传热管的管口及管板的异常情况的检查采用宏观目视检查的方法能准确直观地判别，而对异常的成因分析能为传热管的安全运行提供帮助，保证设备在能在规定的服役期限内保证安全可靠，长期稳定使用。

关键词：传热管  管口及管板  腐蚀  磨损  冲刷  分析

中图分类号：TL353.13   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）10（b）-0056-03

Abstract： There are many heat exchangers in nuclear power plant. As the main component of heat exchanger， heat transfer tube is the key equipment for water and steam heat exchange. The performance of heat transfer tube determines the performance of heat exchanger. The safety and stability of heat transfer tubes also determine the operation safety of the whole system. The macroscopic visual inspection method can accurately and intuitively distinguish the abnormal situation of the tube orifice and tube sheet of heat transfer tubes. The analysis of the causes of the abnormalities can help the safe operation of heat transfer tubes and ensure that the equipment can be in service for a specified period of time. Internal guarantee is safe and reliable， long-term stable use.

Key Words： Heat pipe; Pipe mouth and the tube plate; Corrosion; Wear; Erosion; Analysis

交換器，进行介质热交换，无论是再热、加热还是冷却，其内部主要进行的还是水和汽的热交换过程，而一般这种热交换都是通过各种传热管来实现，所以传热管的性能直接关系到热交换器的热交换性能。目前对传热管的检查主要采用涡流检测的方法，涡流检测对于传热管内部缺陷的检查效果良好，但是由于涡流检查信号存在盲区，并且在靠近管口部位因为管板及其他因素对信号的影响，所以对靠近管口部位的异常情况不易分辨。而宏观目视检查恰好能对管口及管板区域的异常情况进行有效的检查。补充涡流检查的区域，从而更好地完成对传热管的检查。

由于各个不同用途的热交换器其传热管的规格、材料、安装形式都有所不同，其中的介质也各不相同，所以管口及管板的异常情况也各有不同。针对不同的异常情况进行分析有助于了解这些异常情况产生的原因，并根据异常产生的原因做出有效的措施，保证传热管的运行安全与稳定。对常规岛内几种典型热交换器的传热管管口及管板异常情况及原因，将分别进行分析。

1  典型管口及管板异常情况分类分析

1.1 腐蚀造成的损伤

核电站中设备采用的传热管材料一般分为两种：一种为钛管，另一种为不锈钢管，两种材质均耐腐蚀，凝汽器及设备冷却水热交换器等设备由于传热管内介质为未经处理的海水考虑到材料的耐腐蚀性和设备的需要具备良好的热传导性能，所以采用钛管。高压加热器、低压加热器及其他疏水冷却器传热管内介质为循环凝结水，并且水质已经经过处理，所以这些设备的传热管采用不锈钢管。而造成腐蚀的主要原因正是在于水中所含杂质，对于凝汽器及设备冷却水热交换器等设备而言，其管侧的海水由于含有泥沙等杂质更容易对传热管造成腐蚀。

其中主要为电化学腐蚀，钛管与异种金属管板连接时易发生电偶腐蚀，一般纯钛和碳钢两种异种金属组合在一起并接触海水时，若存在缝隙必会发生电偶腐蚀。在平衡态条件下，25℃时纯钛和碳钢相对于标准氢电极（SHE）的电极电位分别是-1.63V和-0.46V，纯钛作为阳极被腐蚀，碳钢作为阴极得到保护。但是，纯钛相当活泼，一遇空气表面迅速被钝化，生成一层若干个纳米大小的TiO2防腐保护膜;在相对于饱和甘汞电极（SCE）的非平衡态的30℃海水中，纯钛和碳钢的电偶序正好相反，其电极电位分别是-0.1V和-0.65V，如图1所示。

若组成电偶对，纯钛将得到保护，碳钢则被腐蚀，如果钛管和管板胀接处存在缝隙;海水进入缝隙后，钛管和管板即构成电偶腐蚀对的阴极和阳极，通过吸氧腐蚀使阳极处管板发生铁的溶解并析出一定量的氢。

为此需要采用管口密封焊或采用高性能高分子粘结剂进行管口封堵，消除电偶腐蚀源头和全钛连接或其他阴极保护以防止电偶腐蚀。

除电偶腐蚀以外微生物以及沉积物的存在也会对传热管造成腐蚀，微生物会改变管壁局部区域的介质环境，从而造成局部腐蚀如图3所示，由于微生物的生物活动，会促进金属在冷却水中的电化学腐蚀过程。微生物腐蚀一般发生在进水侧的钢质管板上，冷却水中常含有一种靠Fe2+和O2生存繁殖的细菌，称为铁细菌。它靠Fe2+→Fe3+释放的能量维持生命活动，生成的Fe3+在细菌表面生成Fe（OH）3↓形成棕色粘泥。在粘泥底部形成缺氧条件，为厌氧的硫酸盐还原菌提供了合适的生存环境。铁细菌和硫酸盐还原菌的联合作用又促进了金属腐蚀，如图4所示。

沉积物的腐蚀。沉积物主要为海水中的泥沙（见图5），由于水质及温度的变化沉积物会在管壁上形成沉积积垢。这些积垢会造成管壁局部区域的介质环境发生改变，垢层形成后，水中含有的氯离子易穿透垢层，造成基体金属的腐蚀，腐蚀生成的金属离子水解造成介质氢离子浓度升高，藻类和微生物的活动亦造成介质的酸度升高。由于垢层阻碍了管内壁金属表面介质与环境介质的相互扩散，使垢层下的介质pH值下降，破坏了金属表面的钝化膜，使金属基体进一步发生腐蚀（见图6）。

1.2 磨损造成的损伤

由于海水中含有各种杂质，包括泥沙、颗粒等在水流的作用下对传热管壁和管口密封焊缝存在冲刷磨损，这种冲刷磨损在一定情况下会使管壁快速减薄，而在一定区域内形成点状凹坑（见图7）或者凹陷（见图8）。

如果传热管管壁或者管口密封焊缝由于机械损伤或冲刷磨损造成凹坑或者凹陷，水流会在其附近形成漩涡从而改变水流的方向不断地冲刷磨损这一区域，当凹陷较浅时，其表面的摩擦磨损机制是紊乱的，泥沙磨粒磨损产生的表面条痕非常浅，而且无方向性，磨损率很小;但当凹陷尺寸达到一定深度时，含泥沙海水的漩涡冲刷磨损明显取向，磨粒磨损出一系列取向性细小的磨粒条痕，这些磨痕有一定深度，更由于此时的凹陷处于缺氧状态，磨痕表面来不及修复生成硬度较高的TiO2薄膜，而是一种纯钛基体，表面硬度相对较低，被含泥沙海水冲刷破损容易些，磨损率相对较大，经过相当一段时间后越磨越深，最终凹陷被磨损破裂导致管壁的不断减薄，最终会因减薄过大，管壁强度不足而破裂或者裂纹（见图9、图10）随后又在电偶腐蚀、缝隙腐蚀和冲刷磨损等共同作用下使破口不断扩大。

海水中有含量较高的坚硬的泥沙颗粒会加剧冲刷摩擦磨损，所以控制海水中的泥沙含能有效地防止磨损造成的损伤。

1.3 异物冲刷造成的损伤

体积较大的异物存在于水中，随水流的运动直接冲击管口及管板，对管口和管板造成损伤。虽然一般的海水进水口都装有过滤异物的滤网，但是由于滤网网眼大小、转速等原因还是有部分异物进入到水室中，主要为海生物、贝壳等冲击管板卡塞在管口（见图11），不但对管板及管口造成机械损伤，贝壳的存在可使钛管内部流体速度增大、方向改变，出口部分管段内部形成明显的湍流，由于流体流动方向与管子轴线方向不再平行，冲击点位置所受应力增加。含泥沙颗粒的海水必定会产生更加严重的冲刷磨损效应，且在长期冲蚀作用下，管壁将被减薄。除了海水中的外来异物，管道及水室在运行中也会产生異物，例如，系统中的部件脱落，检修后遗留在系统中的各种金属物品在水流的带动下都会对管板及管口造成机械损伤（见图12、13）水室中的橡胶衬里本是为了防止腐蚀，由于防腐层不致密，碳钢腐蚀后的绣蚀物会体积膨胀，再加上橡胶衬里层本身粘接不太牢固，在水流冲击下容易发生部分脱落而冲击传热钛管管板（见图14）或者进入管内。进入管内的橡胶带，若得到充分铺展伸直，其冲刷磨损机制象泥沙，以磨粒磨削磨损和挤压塑性变形为主，管内因而会出现多根不规则冲刷磨损条（见图5）。这些异物的存在都会对传热管造成损伤，所以要尽量减少水中的异物。

2  结语

以上对核电站常规岛热交换器传热管管口及管板宏观检查所发现的一些异常情况进行了总结和分析，主要针对热交换介质为海水的凝汽器及设备冷却水热交换器，对于热交换介质为凝结水的其他热交换器未作过多探讨。通过分析，这些异常情况的产生主要原因：一是海水中的杂质过多，包括泥沙含量、金属及非金属异物、海生物等。这些都会对传热管管口及管板造成影响。二是海水的化学成分造成的腐蚀，对于钛合金或者不锈钢材料的传热管，由于热交换器本身结构和设计原因都会存在不同程度的电化学腐蚀。对于海水杂质过多的问题可以通过对海水滤网的优化改造减少水中的杂质含量，调整水流速度减少泥沙或者海生物在传热管中的沉积。对于电化学腐蚀可以通过加装阴极保护装置或者使用非金属材料对管口及管板进行密封保护，从而达到保护传热管的目的。

参考文献

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