核电厂海水换热器结垢分析

朱宏超，贾斌斌，关银柏，彭舒舒，曹文勇

(苏州热工研究院，江苏 苏州 215004)

2017年7月，某核电厂设备冷却水系统(以下简称RRI)海水换热器压差过高，对其进行检查发现海水侧换热面存在附着物。换热面结垢，将导致总传热系数下降，影响设备可靠性，严重时造成设备的停运并影响电厂核安全。本文对RRI换热器的结垢产物进行检测，分析其结垢机理，并提出针对性的处理措施。

1 结垢产物检测

某核电厂RRI换热器海水侧钛板内壁，均匀分布呈棕褐色的附着物，如图1所示。通过采用TESCAN VEGA TS5136XM扫描电子显微镜、X射线衍射仪(XRD)和红外光谱等分析方法对附着物进行EDS元素半定量分析与物相分析，以辅助分析结垢产物形成原因。

图1 RRI换热器钛板内壁附着物宏观形貌Fig.1 RRI macroscopic morphology of attachments on inner wall of titanium plate of heat exchanger

1.1 EDS分析

能谱分析结果如图2所示。该附着物富含Mn、O、Si、Al元素，同时含有少量Cl、Na、Mg、K、Ca等元素，未检测出Ti和Fe元素。能谱结果表明棕褐色附着物并非换热器钛板的腐蚀产物。

图2 EDS分析结果Fig.2 EDS analysis results

1.2 XRD分析

XRD分析结果如图3所示。该附着物无特征衍射峰，表明其晶体特征性较弱，结晶极差，近似非晶质。

图3 XRD分析结果Fig.3 XRD analysis results

1.3 红外光谱分析

红外光谱分析结果如图4所示。该附着物的峰形主要跟某些硅酸盐相匹配，无有机物吸收峰。

图4 红外光谱分析结果Fig.4 Infrared spectroscopy results

1.4 小 结

通过上述试验分析发现，结垢产物为某种金属化合物，非换热器钛板腐蚀产物，主要含有金属元素为Mn、Fe、Al、Mg、Ca等，其中以Mn为主，且有机物含量较低。

2 结垢机理分析

2.1 锰氧化微生物作用产生

由于RRI换热器冷端介质为海水，而海水中含有很多微生物，该结垢产物可能由海水中微生物的作用产生。海水中含有一种锰氧化微生物，存在于土壤、淡水、污泥沉积物等环境，能将海水中可溶性的Mn2+氧化成不溶性的锰氧化物(主要是Mn(III)和Mn(IV))沉淀[1-2]，该氧化物称为生物锰氧化物。生物锰氧化物具有很高的吸附能力，且能氧化众多的有机组分[2]。该附着物可能是锰氧化微生物、生物锰氧化物等物质沉积到钛板内壁产生。但是红外光谱分析结果显示，其结构主要与硅酸盐的结构相匹配，有机物或其他无机盐类信号很差，无法判定。说明该结垢产物为生物锰氧化物可能性较低。

2.2 海水中Mn元素吸附产生

由该核电厂海域海水水质分析报告知，该海域海水中Mn、Si元素含量很低，其中Mn元素浓度仅为0.0001 mg/L，如表1所示。

表1 海水水质分析报告Table 1 Seawater quality analysis report (mg/L)

文献[3]指出，当海水pH值为7.5～8.5时，海水中锰在玻璃体上有较强的吸附作用，且pH在此区间内随pH的升高，吸附程度增大。RRI冷端水质pH为7.95，与该文献中Mn强吸附玻璃体时的pH近似，因此该结垢可能是海水中的Mn不断沉积到钛板表面造成，但海水中的Mn元素是否在该钛板表面也有类似在玻璃体的吸附作用还有待验证。即使Mn元素在钛板上同样有类似吸附作用，但该核电厂海水水质中Mn元素含量并不高，而该附着物含很高的Mn元素，从这一方面来看，该结垢产物是由海水中的Mn不断吸附造成的可能性不大。

2.3 海水自身含有的硅酸盐沉积产生

郭世勤和郭立鹤[4]提到一种含Mn、Si的非晶质矿物，呈红褐色，对其进行化学成分分析、红外光谱分析、差热分析、XRD分析等，发现该物质富含Si、Mn，含有少量Al、Mg、Ca、Fe，无衍射峰，推断其为一种无定形的含锰铝硅酸盐相。上述试验表明该附着物很可能为类似的一种非晶质矿物。

2.4 小 结

通过对换热器可能的结垢机理进行分析，结合EDS、XRD和红外光谱的检测结果，结垢产物最大的可能性是一种非晶质矿物在海水侧进行沉积导致，如表2所示。换热管和钛板的形状复杂，流速相对平缓，为矿物质的沉积提供了有利条件。

3 选择合理的除垢措施

换热管的结垢，将降低换热功率、改变换热管内部的工况，严重影响设备正常运行，所以应根据实际情况，选取合理的除垢措施，尽快恢复设备正常性能状态。当结垢层在5 mm以下，可以单靠化学处理来完成，而当结垢层达到5 mm以上，则不论何种垢层，都需要物理方法与化学方法配合使用[5]。

3.1 人工清洗

人工清洗是成本最低，实施最为简单的清洗方法，在工期有保证，设备可以解体的情况下建议选择。但是人工清洗对板片可能有划伤，并且划伤部位更容易挂垢，存在一定的安全隐患和事故风险。

3.2 喷射清洗

喷射清洗是利用流体以一定速率喷向污垢表面，使污垢从换热面脱落。板式换热器需要解体进行处理，对于管式换热器直管有良好效果，弯管部位效果较差。喷射清洗处理时间较长，费用较高。在核电厂停堆大修期间，受限于时间窗口，喷射清洗存在一定的局限性。

3.3 化学清洗

在流体中加入除垢剂、酸、碱等，通过降低污垢与换热面的结合力，使其从换热面脱落。化学清洗可以在现场完成，清洗较为彻底，避免机械清洗对换热面的机械损伤，无需解体检查。在进行化学清洗后需进行压力试验，满足要求后方可使用，在换热管完全堵塞的情况下无法应用化学清洗，对清洗液处理不当会造成环境污染。

3.4 在线清洗

设备运行期间，依靠胶球等在管内的运动，与管壁接触达到去除污垢的效果。例如：核电厂凝汽器采用胶球在换热管内循环，大大减少钛管内壁污垢的累积并节约维修费用。而凝汽器在线清洗系统需要维护，存在胶球遗失、堵塞传热管等现象存在，类似的系统在电厂应用较少，成本及维护是主要因素。

3.5 超声波清洗

液体在超声波的作用下发生空化效应，使污垢分散、粉碎、脱落不易在内壁上形成积垢。超声波除垢实现了在线抑垢和除垢，操作简单对环境无污染。但其抑垢和除垢作用会随介质的流动方向改变从而减弱，且需要安装超声波发生器、转换器等设备，成本较高。

4 结 语

EDS、XRD等试验结果和上文分析表明，换热器结垢产物是一种富含Mn、Si等非晶质矿物，其结垢原因是海水自身含有的硅酸盐沉积。作为核电厂的重要设备，海水系统换热器换热部件表面结垢，将导致总传热系数下降，影响设备可靠性，甚至造成设备的停运，影响电厂安全运行。因此，建议核电厂对海水系统换热器开展专项管理，定期对换热器进行检查，根据换热器效率曲线、型号、设备结构等选择合适清洗方法适时对污垢进行清理。