某电站再生热交换器泄漏分析及处理

宋黎明 易学静

摘 要：某电站调试过程中再生热交换器发生泄露，本文回顾了泄露事件过程，对泄露原因进行了技术分析，并提出了解决方案。

关键词：再生热交换器;泄漏;改造

1 引言

再生热交换器安装在反应堆厂房，再生热交换器用于回收下泄流的热量以加热上充流，其中下泄流流经换热器管侧，净化后的上充流流经壳侧。

本设备是一台卧式、U型壳体、U型换热管式热交换器。

2 事件过程

2017年，某电站1号机调试期间发现再生热交换器上人孔法兰泄露。

随后，设备供应商确认根据目前掌握情况，不会对法兰表面和垫片造成损害，可以继续热试;并要求业主监测泄露情况。

现场监测发现再生热交换器泄露增大，机组立即下行，并随即对泄漏的管侧进行隔离，随后对壳侧进行隔离。

机组下行过程中现场对泄露的上人孔法兰螺栓进行标号;并对管侧进行冷态水压试验，结果在6.5bar时开始出现滴漏，50bar时，5#，6#，7#，10#，11#，13#螺栓部位出现线性泄漏。

随后螺栓紧固力测量公司、设备供应商和垫片供应商分别到达现场，检查发现法兰盖中心相比周边已向背面鼓出最大0.9mm，人孔法兰面垫片槽外已压出一个深0.25mm槽，垫片镀银层已被冲刷，且沿圆周均匀分部。

经过各方现场检查、讨论，使用新垫片重新紧固后，顺利通过水密封试验。

3 原因分析

经过分析，再生热交换器出现泄漏的可能原因有垫片缺陷、热瞬态超出设计值、设备制造缺陷、设备设计缺陷等。

3.1垫片缺陷

现场检查发现垫片和法兰接触面的圆周以及和槽接触面的上圆周有损坏，随后对4个备件垫片检查，发现生锈、微划痕/银氧化问题。

如果泄露是由于垫片缺陷导致，则泄露痕迹应该仅体现在垫片缺陷部位，而现场检查发现泄露痕迹布满整个法兰圆周;且垫片缺陷不会导致现场检查发现的法兰螺栓紧固力减小以及法兰盖变形问题。

因此，判断垫片损坏发生在泄露之后（由于高压介质泄露冲击垫片密封面导致），基本排除垫片缺陷原因导致泄露。

3.2 热瞬态超出设计值

热瞬态对再生热交换器的影响主要取决于温度变化幅度以及对应的温度变化率。也就是说，温度大幅度的突然增加会导致大量残余应力;如果热瞬态超出了设备设计中选用的温度增加值，设备存在塑性变形的风险。相反，如果温度大幅度的降低会导致法兰部分紧固力矩的缺失;如果热瞬态超出了设备设计中选用的温度减少值，设备存在紧固力矩缺失导致泄露的风险。

根据现场提供的探头测量的再生热交换器的温度记录数据。经过分析，温度升高最大幅度为+157.2℃（对应的温度变化率为+0.19℃/s），温度升高最大速率为+1.49℃/s（对应的温度升高幅度为+133.8℃）;对比设备设计考虑的数值，温度升高最大幅度在设计包络范围内，但温度升高最大速率+1.49℃/s超出了设计数值（+0.70℃/s）。另，温度降低最大幅度-179.1℃以及温度降低最大速率-0.18℃/s都在设计包络范围内。

为了分析温度升高最大速率值超出设计数值的影响，供应商委托第三方对整个水室（包含垫片）建立了三维有限元模型，对此热瞬变水室的紧密型和完整性（考虑+/-10%的紧固力）进行了分析，比较了此热瞬变和设计数值中热瞬变的应力水平以及变形量，结论为此热瞬变状态下水室的紧密型和完整性满足RCC-M要求，且不会导致法兰紧固力缺失以及法兰盖变形。因此，基本排除热瞬态超出设计值原因导致泄露。

3.3 设备制造缺陷

再生热交换器进行工厂水压试验时曾出现滴漏，但保压30分钟成功。供应商按规定开启了外部不符合项，设计方认为水压试验压力是最大设计压力的1.5倍，条件极高，通过引入第三方计算单位验证，设计方认可供应商计算报告的建模，同意原样接受水压试验结果，关闭不符合项。

经排查设备制造完工报告，设备制造过程中产生的不符合项均已正常关闭，未发现其他问题，因此基本排除设备制造缺陷原因导致泄露。

3.4 设备设计缺陷

再生热交换器锻件采用Z2CN18-10材料，其化学成分及制造、检验、验收按照RCC-M M3301执行。

经核查，设备计算报告中基本许用应力强度值根据实测值得出，而未采用RCC-M附录ZI 篇的基本许用应力强度值。对法兰盖尺寸进行核查，供应商采用有限元法进行计算，法兰盖名义厚度为125mm，采用的基本许用应力强度Sm为130MPa， 设计工况裕量为1%;若按RCC-M C3200规范，基本许用应力强度Sm采用RCC-M 附录ZI的数据94MPa，对法兰盖进行计算结果表明厚度应不小于146.8mm。经进一步核查，水室筒体、管板、换热管、壳程检查孔和尾部弯头在进行强度计算或者应力分析时，都存在材料的力学性能未按RCC-M给定值选取的问题。

供应商解释其采用的锻件材料是“Z2CN18-10 改进型”，而并不是“Z2CN18-10”，因此RCC-M 附录ZI的基本许用应力强度值并不适用，而是依据RCC-M 附录ZIII 211的要求通过计算得出。

但根据RCC-M 附录 ZIII 110，鉴于“Z2CN18-10 改进型”材料并不是新材料，屈服强度Sy和抗拉强度Su要么根据a）条款规定从附表ZI 2.0/ZI 3.0中选取，要么根据b）条款规定在代表试样上进行足够多的试验后通过统计法获取。而供应商仅在管板、水室等部件处共选取了10个试样（其中在泄漏的水室仅选取了4个试样，每个试样2组试验），试验数据不足够有代表性。因此，设备设计缺陷是导致再生热交换器泄露的原因。

4 解决措施

根据原因分析，给出保持法兰密封结构或者改为焊接结构两种解决方案。

4.1保持法兰密封结构

水室原密封结构不变，加厚法兰盖以满足强度、刚度的要求。

1）  法兰盖材料选用Z2CN18-10锻件，法兰盖厚度155mm。

2）  更換新螺栓并加长。

3）  螺母、垫圈、C型密封环、水室等均采用原再生热交换器零部件。

4.2 焊接结构

1）  使用球形封头与水室进行对接焊。球形封头材料选用Z2CN18-10，厚度58mm。

2）  球形封头上设置一个窥视孔，用于设备在役检查。

通过综合比对技术方案成熟性、密封面泄露风险、日常维护及在役检查便利性等因素，最终选择了使用球形封头焊接结构的解决方案，完成了现场再生热交换器改造工作，截至目前，再生热交换器运行良好，无泄漏情况发生。

参考文献：

1.RCC-M 2007版