核电厂发电机空冷器新型堵漏工艺开发与应用

崔运佳

（秦山核电维修一处，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

秦山核电一厂（以下简称秦一厂）共有8台发电机空气冷却器（以下简称空冷器），在2017年期间多台空冷器发生了传热管大面积泄漏的情况，漏管数超出了空冷器设计裕量，导致发电机风温异常升高，若不及时在线处理解决，将导致发电机风温超出运行限值，存在较大的机组降功率甚至停机的风险。然而，由于单台空冷器的冷却功率有限，在不降低机组功率的情况下不具备同时隔离两台空冷器进行检修或更换的条件。在此情况下亟待开发一种核电站空冷器新型在线堵漏工艺，在机组不降功率的情况下快速消除泄漏缺陷，恢复空冷器的冷却功能。

在常规的空冷器检修中，传热管泄漏后一般采用堵管工艺进行堵漏，堵管工艺使用尼龙堵头，对泄漏传热管两端进行堵塞，达到阻止介质从传热管流出的目的。该方法虽然简单高效，但是会降低发电机空冷器的传热效率，且堵管数量有上限要求，不得超过设计要求的堵管率≤8%。由于机组运行时间较长，空冷器累计堵管数量较多，且由于空冷器传热管管侧结构为翅片式，翅片与传热管相对固定，不具备在线更换的条件，因此导致空冷器整体堵管率逐年上升，已接近堵管数量的上限，如不及时将已堵传热管的功能恢复，将直接导致空冷器冷却功能劣化，及发电机不可运行。本文针对如何恢复空冷器已堵管道的冷却功能的技术问题开发了一种新型堵漏工艺，在保留传热管部分冷却功能的前提下成功消除了传热管漏水缺陷，显著提高了空冷器的冷却能力，保证了发电机的安全稳定运行。

1 空冷器及其传热管泄漏机理简介

1.1 空冷器结构原理介绍

空气冷却器是利用空气与流体进行热交换的换热器。管内的热流体通过管壁和翅片与管外空气进行换热。秦一厂的空冷器管内介质为海水，管外介质为发电机小室空气。由于空气侧的传热系数低，故管外加装了翅片，以增加传热面积和减小热阻。空冷器结构由传热管、管板、翅片、盖板等组成。海水从进水室进入，经过传热管对空气进行冷却，然后由折回水室回流，最终通过回水室返回海水系统，如图1所示。

图1 发电机空气冷却器结构原理示意图

1.2 空冷器传热管泄漏机理及传统堵漏方法介绍

1.2.1 设计原因

该核电机组发电机的6号空冷器因堵管率高（16.8%、堵管20根），超过设计要求的堵管率≤8%，同时考虑发电机进风温度在2016年夏季接近发电机进风设计额定温度45℃，为保证发电机进风温度在2017年夏季不出现超设计温度的情况，电厂设备管理人员安排在2016年的机组大修中对6号空冷器进行了整体更换。同时考虑发电机进风温度在前一年夏季接近发电机进风设计额定温度45℃，为保证发电机进风温度在本年度夏季不出现超出设计温度运行的情况，设备工程师还同时安排了堵管率较高的4号、5号和8号三台空冷器的整体更换，原空冷器材质为钛管，由于钛管换热器采购时间长等原因，设备工程师采购了材质为B10白铜管的空冷器，并在2016年的机组大修k对4号、5号、6号和8号空冷器进行了更换。更换新空冷器后，发电机进风温度明显降低，在2017年7月14日前，发电机进风温度保持在40℃左右，空冷器运行状态良好（原设计图纸如图2所示）。

图2 发电机空气冷却器冷却管设计图

原图纸技术数据：

a）冷却能力2 400 kW

b）运行水量720 t/h

c）运行压力0.1 MPa

d）最大运行水压0.3 MPa

e）风压降600 mmH2O(风速3.3 m/s）

f）最高进水温度33℃

g）出风温度40℃

新更换的四台空冷器在运行不到半年的时间内，相继出现传热管泄漏的问题，且单台空冷器传热管泄漏的数量较多，缺陷频率远远高于历史运行数据，存在较为明显的共模故障。更换前采用钛管作为冷却管的空冷器已经持续运行快30年，虽然随着运行时间的增加堵管率也增加，但没有出现过本次采用B10白铜管为冷却管的空冷器这样短时间大面积泄漏。实践证明：原设计的冷却管材质B10不适合现场含沙量较高的海水运行工况，传热管会在海水冲刷下腐蚀。

1.2.2 环境原因

秦一厂空冷器传热管的管内外介质为海水和空气，由于发电机小小室内空气干燥无水分且流速低，空气往往不会对传热管造成腐蚀。而管内的海水由于含有多种阴阳离子以及大量泥沙，会对传热管造成化学腐蚀及物理冲蚀，最终造成传热管减薄破损泄漏。

1.2.3 传统空冷器传热管堵漏方法

a）堵头物理封堵工艺。加工与传热管对应尺寸的尼龙材质堵头，堵头为锥度1∶10结构，确定漏管后，传热管两头用尼龙堵头堵死敲紧，防止海水进入该漏管，最终达到堵漏的目的。

b）更换传热管工艺。使用专用工具对密封焊进行打磨，切除旧的传热管两端头，钻出管板处的旧管道，取出旧的传热管，切取合适长度的传热管将预制好的传热管穿入两侧管板中；按照焊接要求对两侧的传热管与管板进行焊接，使用胀管器对两侧管板孔内传热管进行胀管处理；目视检查胀管位置有无破裂、鼓包等异常现象，对焊接位置进行探伤检查，设备回装以后，壳侧充水打压试验，检查是否有泄露。

c）停机小修整体更换，按检修方案进行更换。

然而以上三种方案均存在以下问题：

方案a：因现场四台发电机空气冷却器堵管率已经远远超出设计标准值，设计要求的堵管率≤8%，现场方案a已经无法实施。

方案b：因传热管管侧结构为翅片式，翅片与传热管为紧配合固定，现场传热管无法进行抽出直接更换。

方案c：整体更换首先需要停机小修，工期约为7天，按每天0.07亿千瓦时发电量计算每天损失约300万元，关键是设备备件当时仓库没有存货，当时紧急采购也需要3个月以上才能到货，根据以上3种传统检修方案现场都无法实施，在此情况下亟待开发一种核电站空冷器新型在线堵漏工艺，在保证机组不停机降功率的情况下快速消除泄漏缺陷。

2 空冷器新型堵漏工艺方案

2.1 新型堵漏工艺概述

新型堵漏工艺是在泄露传热管内穿进一根新传热管（以下简称衬管工艺），两根传热管之间为间隙配合，然后使用胀管工艺使两根传热管与管板胀接固定，最后使用耐海水专用防腐涂料进行管板密封。新型堵漏工艺主要包括传热管查漏、衬管试验、衬管实施、柔性堵漏等步骤，以下将逐条详细介绍。

2.2 传热管查漏工艺

采用真空查漏方法对传热管进行查漏，传热管一端用堵头堵住密封，另外一端使用真空检漏仪进行抽真空。若传热管泄露，则传热管无法建立真空，可以通过真空负压表观察；若抽真空后负压表示数保持稳定，则传热管为泄露，反之则判定为漏管。确认漏管后做好标记，以便进行下一步处理。

2.3 衬管堵漏工艺

当传热管发生大面积泄漏，若采用堵管的方式，堵管数会超过设计裕量，此时空冷器的换热效率将不会满足使用要求。在此基础之上，开发了一种新型的衬管堵漏工艺。衬管工艺包括衬管试验、衬管准备、衬管实施及管道胀接四个步骤，以下分别进行介绍。

图3 真空查漏法现场照片

2.3.1 衬管试验

为了使穿管顺利，两管应能相对移动与转动，新管与旧管间为间隙配合，根据公差配合标准，选用b11、b12公差配合代号进行加工测试，具体应提前进行衬管试验，为保证换热效果，最终尺寸选择应在能顺利穿进旧管的前提下越小越好。

图4 衬管试验照片

2.3.2 衬管准备

使用毛刷对传热管内部进行清理，清理完后用除盐水冲洗原传热管，防止衬管时有脏污影响穿管；根据衬管试验中确认的尺寸选取传热管，并将传热管切割到原管长度（可略长一些）；使用砂纸打磨新传热管两端；使用真空硅脂均匀涂抹在传热管外部，一方面可以增加顺滑方便衬管，另一方面可以填充间隙，增强两管之间的导热性。

2.3.3 衬管实施

衬管采用人工方式进行，由两至三人合力将新管穿到原泄漏管中，穿管时应注意新管要保持水平，若遇到卡涩情况可使用铜棒及铁锤轻轻敲进。

2.3.4 管道胀接

穿管完成后，传热管两端使用胀管机进行胀管，使新管、旧管、管板三者径向胀接在一起，增强密封性。

2.4 柔性堵漏工艺

传统方法为进行管板密封，胀管完成后需进行密封焊处理，而密封焊对焊工操作要求高，耗费工时长。为达到快速堵漏的目的，本工艺采用了防腐柔性堵漏的方法进行密封。

选用耐海水陶瓷防腐涂料均匀涂抹在管板及管口，48 h后即可晾干，耐海水陶瓷防腐涂料兼具硬度与耐腐蚀性。此方法既可以增强管板的耐海水腐蚀性及冲刷性，又可以增强管板密封，可以起到密封焊点效果，最终达到堵漏的目的。

图5 衬管工艺示意图

3 效果验证

为检查新型堵漏工艺的实施效果，从密封性与换热效果两方面进行验证。

（1）采用水压试验的方式对空冷器管侧进行打压，观察压力表是否在30min保持示数稳定。经现场观测空冷器水侧压力稳定，空冷器采用新型堵漏工艺后密封性良好。

（2）通过测量海水温度及空冷器热侧相关设备温度及空气风温，最终得到以下数据对比（见图6）。由图可见，新型堵漏工艺对空冷器换热效率影响微乎其微，空冷器可以正常工作，相比于堵管，换热效率大大提高。

图6 柔性堵漏实施效果照片

堵漏完成后，设备最终投用。

图7 新型堵漏实施前后温度对比图

4 后续建议与展望

传热管材质选择应严格按照设备使用设计标准，进行材质替代时需要进行充分的评估，应综合考虑介质成分、介质流速、环境温度等因素。

发电机空气冷却器新型堵漏工艺为管式换热器在线快速堵漏提供了一种新的思路，且实施效果良好，成功避免了机组停机小修，空冷器小修进行更换至少需要7天时间，使用新型堵漏工艺可在线对每台空冷器进行堵漏，从而创造了具体巨大的发电效益。此工艺快速有效，可行性好，可以推广到其他核电厂，具有不错的应用前景和潜在经济效益。