某核电厂凝汽器钛管凹陷影响及形成原因分析

某核电厂凝汽器钛管凹陷影响及形成原因分析

苏州热工研究院有限公司，江苏苏州，215004Summary：某核电厂工程安装期间对凝汽器执行钛管涡流检查发现某水室存在较多支撑凹陷信号，其信号分布具有一定的规律性。本文对凝汽器涡流检测结果进行统计，归纳其规律性；通过试验的方式对凹陷传热管的质量进行影响分析，结合凹陷传热管形成原因排查，得出涡流检测变形传热管对其质量影响可接受，其凹陷产生原因为工程现场安装设备落座期间顶升不同步导致。Keys：凝汽器；钛管；凹陷；影响分析概述凝汽器作为核电厂朗肯循环中的低温低压点，在电厂热力循环中起着增加电厂热效率的重要作用。其凝汽器钛管作为核电厂二回路与海水的换热边界，一旦发生破损，其传热管内正压海水会通过破口进入负压二回路中，其海水中Na+、Cl-等有害离子的进入将导致二回路水污染进而对设备安全运行产生影响。目前核电厂主要采用内穿过式涡流检测方式对凝汽器钛管进行预防性检查，以期尽早发现传热管异常，减少钛管泄漏对机组的影响。某核电厂在机组商运前现场安装阶段对凝汽器传热管执行了涡流检查工作，其检测结果具有一定的规律性。本文对本次钛管涡流检测结果加以分析及试验总结，意在通过其缺陷分布规律及试验，得到缺陷的成因及影响，降低设备在役期间损伤风险。凝汽器涡流检测结果分析本次涡流检查总量为凝汽器管束总量的13%，检查策略为4个模块迎气区壁厚0.711mm钛管1294根全检，主凝结区和空冷区0.559mm的钛管抽检467根，总计（1294+467）×4=7044根。检测结果发现某模块1761根被检测传热管中304根传热管存在314处支撑凹陷，其支撑凹陷情况发生比例占检测比例的17.26%，并且凹陷部位具有一定的规律性。规律性1：支撑分布方面集中出现在第8支撑板表1：支撑凹陷信号分布所处支撑涡流幅值范围总计<20>2021912033844244461171187315022391111214112411252227222911302231113311总计158156314规律性2：对凹陷部位补充执行内窥镜检查发现，针对发生凹陷信号较多的第八支撑板部位存在共性的环状显示图1内窥镜检查发现环形缺陷凹陷传热管影响分析现场对幅值较大的（121.35V）第184排第81根传热管进行了拔管处理，以验证凹陷对传热管质量的影响。缺陷管成分分析实验室对拔出管的成分进行了测量，其测量结果如下表所示。检测结果满足ASMESB338标准要求。表2：成分分析验收值损伤管N≤0.03%0.003%C≤0.08%0.007%H≤0.015%0Fe≤0.20%0.06%O≤0.20%0.083%残余元素单体≤0.1%＜0.1%总量≤0.4%＜0.40%Ti余量余量缺陷管凹陷形态影响分析实验室对损伤部位进行了轴向线切割处理，切割完成后其表面状况如下图所示，轴向观察存在压环的部位在切割后内表面直接观察无明显形变。凹陷部位图2环向显示部位凹陷传热管内外表面渗透检测结果无显示。证实传热管凹陷部位未产生其他表面缺陷，且凹陷部位的结构突变不明显。测量凹陷双环间距，其数值与凝汽器隔板厚度一致。对凹陷部位界面进行20倍放大观察，其界面未见缺陷以及壁厚突变现象，进一步验证了渗透检测的结果。图3显微镜下（20倍）凹陷形貌采用显微镜对凹陷的尺寸进行测量，其内凹深度为0.05mm。凹陷缺陷力学试验分析实验室对拔出管预料进行凹陷缺陷试样加工，并对涡流检测验证仅存在DNT信号的传热管进行力学试验。表3：拉伸试验验收值试样1试样2外径(mm)MAX:25.425.2425.22MIN:25.14625.325.31壁厚(mm)MAX:0.61490.550.55MIN:0.5030.560.56凹陷涡流幅值78.4751.83凹陷加工位置1/4处1/2处抗拉强度(MPa)≥345424420屈服强度(MPa)275-450352352伸率(%)≥203637断裂部位1/2处凹陷之间图4拉伸试验力学试验结果表明，凹陷传热管的力学性能指标合格。且无论凹陷部位在1/4处还是1/2处加工，其断裂位置并不以凹陷位置不同而转移。即使凹陷加工在1/2处其断裂位置也并未断裂在凹陷部位。由此证实凹陷的存在不影响传热管的力学性能。凹陷部位有限元分析采用有限元ANSYS分析建立含压痕的冷却管有限元计算模型。图5有限元分析模型拉应力分析含压痕的冷却管在受拉状态下其压痕处最大应力与均匀段应力值比为1.908/1.873=1.019.压痕对受拉作用下的冷却管应力影响不到2%。由于管束设计寿命下安全裕量超过50%，即安全系数至少达到1.5，因此压痕的影响可以忽略。强度分析内压作用下含压痕的传热管在Von-Mises应力强度计算下压痕处与均匀段管应力强度差异非常小，应力云图上已分辨不出。弯曲应力分析在管外流体作用下，相同横流载荷作用下，有压痕和无压痕的冷却管弯曲应力相差0.03MPa，由于最大弯曲应力17.604MPa远小于许用应力132MPa，因此压痕的影响可以忽略。固有频率影响分析传热管的固有频率是评估管束流质振动的重要参数，管束设计时传热管的固有频率需避开流质振动的激励频率并保留20%以上的余量。为检查压痕对传热管固有频率的影响，分别对含压痕传热管的固有频率和无压痕的固有频率进行比较。经过分析得出有压痕的冷却管的固有频率为115.927Hz，无压痕的冷却管固有频率为115.936Hz，两者之比为0.9999.因此压痕对固有频率的影响极小，可以忽略。凹陷传热管形成原因分析凹陷传热管发现为工程现场安装期限，其凹陷的成因发生在设计、制造安装时期。现对三个时期的产生原因进行假设、分析。设计A．管子的振动凝汽器振动根据美国HEI《表面式凝汽器标准》进行计算，对于0.5mm壁厚的钛管而言，常规设计的隔板间距约为700～800mm。本项目凝汽器考虑了各种最严格的工况，实际取定凝汽器管隔板间距为580mm，隔板间距为559mm，分别小于最大允许值，满足各种工况的振动计算要求。B．传热管强度采用压力容器计算方法对冷却管进行计算，最小允用壁厚为0.032mm，本项目凝汽器管子壁厚取0.559mm/0.711mm。壁厚满足强度要求。C．管孔的公差根据图纸要求，隔板开孔Φ25.6mm，上公差为0.4mm，下公差为0，由此可知隔板开孔在Φ25.6～Φ26mm范围内满足设计要求。现将冷却管拔出后，对该冷却管第八块隔板进行管孔测量，实测孔径为Φ25.92mm，满足设计要求。综上所述：设计过程质量可控，非传热管凹陷成因。制造A．管隔板的钻孔控制管隔板的排列检验、孔径检验、粗糙度检验均有记录。B．隔板孔同心度控制其孔同心度在穿防冲刷管前，焊接前，焊接后，经过3次检查调整，均在3mm的要求内。C．穿管前的清洁度和穿管过程控制隔板孔和管板孔先采用压缩空气、砂轮去除异物，然后采用丙酮加脱脂白布去油渍等。穿管时严格控制，制造了穿管平台，另外在穿管时采取多人均匀用力等方法确保了穿管质量。若制造阶段产生凹陷，则在传热管表面会形成明显纵向划痕，但传热管拔出后及凝汽器观察发现传热管并未见明显纵向划痕，且拔出管经尺寸及同心度测量满足标准要求。综上所述：制造过程质量可控，非传热管凹陷成因。安装A.异物掉落凝汽器汽侧与低压缸相连，低压缸安装阶段存在异物掉落撞击凹陷的风险。但观察凝汽器汽侧顶部传热管未发现异物掉落的一次、二次撞击痕迹，排除异物掉落产生规则性凹陷的可能性B.吊运安装不同步壳体抽出运输装置时（两个管束模块已经拼接完毕，组成一个壳体），按照凝汽器安装说明书要求，采用6个点顶升，且6个点需同步缓慢动作。经现场验证，第8支撑部位正处于顶升位置附近。顶升不同步使得壳体底板多次受向下的冲击，壳体底板将冲击作用力传至隔板，从而对传热管产生周向作用力，进而形成凹陷