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1、秦山地区核电站海水冷却水系统泥沙淤积和腐蚀现象与对策?技术交流?秦山地区核电站海水冷却水系统泥沙淤积和腐蚀现象与对策院副总工程师研究员级高级工程师武红兵建筑所研究员级高级工程师宋建军摘要本文总结了中核集团在杭州举办的核电站海水系统问题及其对策研讨会上有关海水冷却水系统防止泥沙淤积,管道,水泵,阀门和滤网的防腐措施的交流经验,以利提高我院海水冷却水系统和相关设备的设计水平.关键词:海水冷却水;泥沙淤积;防腐措施1前言秦山地区核电站地处钱塘江与长江人海交汇处的杭州湾,因海水中泥沙含量高,先后投入运行的5台机组,其海水冷却水系统的管道,阀门,水泵,滤网,凝汽器和热交换器都不同程度的出现了泥沙淤积和腐
2、蚀现象,严重影响了核电站安全和经济运行.对海水冷却水系统出现的上述问题,秦山地区各电站与设计院进行了积极的研究和整治,积累了很多的宝贵经验,交流和共享这些经验对已投入运行的电站和正在设计的电站具有很大的必要性.为此,2o05年9月,中核集团核电部委托核电秦山联营有限公司在杭州举办核电站海水系统问题及其对策研讨会.本文总结此次研讨会有关海水冷却水系统防止泥沙淤积,管道,水泵,阀门和滤网的防腐措施的交流经验,以利提高我院海水冷却水系统和相关设备的设计水平.2海水冷却水系统防止泥沙淤积2.1秦山一期秦山一期的海水系统主要由取水涵管,联接井,闸门,栏污栅,取水隧道,旋转滤网,重要厂用水泵,循环水泵等设
3、备组成,为核岛,常规岛提供循环冷却水源.秦山一期是我国第一座自主设计,建造的核电站,已于1991年并网发电.由于对杭州湾泥沙特性缺乏了解,海水冷却水系统设计对泥沙淤积问题估计不足,一般工况下,至少有两台备用循环水泵停用,由于水泵停运造成吸入池内泥沙淤积严重(在停堆换料检修期间与长期停泵后尤甚,泥沙淤积最高时达到2.8m以上),致使进水流道堵塞,设备因冲刷,腐蚀损坏严重(特别是海水循环水泵,安全海水泵,阀门,管道及相关设备损坏频率很高),经常发生泵断轴,轴瓦烧毁,机械密封损坏,叶轮冲刷,汽蚀严重及阀门,管道腐蚀穿孔等故障,直接影响到海水系统及设备的正常运行.秦山一期委托清华大学进行取水涵管延伸后
4、泥沙在系统中的淤积和运行对策的试.25.核-tit研究与设计2005年12月验.即:循环水泵正常运行时,为了尽量减少备用流道泥沙淤积造成的危害,每一个流道的循环水泵在710天必须切换一次,避免进水流道泥沙淤积过高,影响循环水泵的启动和运行.换料大修期间,循环泵停运,只有一台海水泵运行时,为防止整个进水流道发生淤积,则每隔1O一15天启动循环泵,运行3-4h进行排沙冲淤,效果明显.目前秦山一期正结合一期扩建项目的前期工作,进行水文测验和水下地形测量,在物模试验成果的基础上确定取水涵管和取水口的改造.2.2秦山二期在进行秦山二期联合泵房(PX)的设计过程中,考虑到厂址所处杭州湾海水中泥沙含量较高,
5、设计中必然存在一定的特殊性.为了使设计合理,保证循环水系统(CRF)和安全厂用水系统(SEC)的正常运行,进行了一定的调研和一系列的科学试验,并将试验结果应用在具体的设计中.从泵房进海水开始调试至今,运行时间已4年左右.这其中,围绕泥沙淤积出现了一些问题,重点集中在SEC部分.安全厂用水系统的功能是把由设备冷却水系统(RRI)收集的热负荷传递到最终热阱海水,其系统由两个独立的且实体隔离的回路构成,每个系列有两台并联的100%SEC泵,在整个SEC系统的起点,通过两条DN1200的钢筋砼的隧道从杭州湾取水,经过近30(0的输水隧道后,进入安全厂用水泵房.泵房内设有4台SEC鼓形滤网,对应每台鼓形
6、滤网的上游分别配备有一个检修闸门,2台拦污栅和格栅除污机.鼓形滤网的出口进入SEC泵的吸水暗渠,吸水暗渠分为两格,每两台鼓形滤网的出水与一格暗渠相连,两格暗渠中间以双隔离阀隔开,平时关闭,每格暗渠与两个机组的各一个系列SEC泵相连.SEC系统经过一段时间的调试和运行,发现暗渠内会沉积大量的泥沙.如果按照原.26.设计运行方式,即在正常运行工况下,为每个堆服务的两个SEC系列的4台泵仅其中1台运行,而不运行系列的水泵在经过一段不长的时间后,泥沙就会堵塞水泵的吸水口,导致水泵丧失功能,影响最终热阱的安全性.按照物理模型的试验结论,决定每个SEC系列在正常运行工况均投入一台泵运行,周期系列间切换.利
7、用运行泵抽吸的覆盖面,来达到保证2个SEC系列的水泵均可以顺利启动,从而保证最终热阱的安全性.基于秦山二期1,2机组的设计与运行经验,秦山二期3,4机组SEC系统改进措施重点在于改变吸水暗渠的形式,由2个吸水暗渠改为4个吸水暗渠,每个SEC系列对应1个吸水暗渠,并均有各自的检修孑L.检修孑L采用盲板的方式,以减少由于”呼吸作用”进入暗渠的泥沙量.每个吸水暗渠包括2台SEC泵,2台鼓形滤网反冲洗泵,1台鼓形滤网.系列3A4B的吸水暗渠和系列3B4A的吸水暗渠分别通过管道连通,连通管上加隔离阀.采用上述改进措施,可以减少在正常运行工况下SEC泵的运行数量,恢复SEC泵的运行工况(即:正常运行工况下
8、两个SEC系列仅运行一台SEC泵),便利单独处理每个暗渠中可能出现的泥沙淤积问题.2-3秦山三期秦山三期重水堆核电站设有2台700MW级机组,每台机组的海水冷却系统主要包括重要厂用水系统(RawServiceWater,以下简称RSW系统)和凝汽器冷却水系统(CondenserCoolingWater,以下简称CCW系统)组成.RSW系统的功能是在各种电站运行工况下为核岛提供足够的冷却海水,而CCW系统则为电站凝汽器提供了冷却水源.海水泵房从杭州湾取水,冷却水取水系统通过4个速度帽向4条取水方涵供水,在方涵和泵房之间的泵房前池用以均衡水位,分配水量,减小波浪影响.第55期武红兵等:秦山地区核电
9、站海水冷却奎系统沙塑盛丛垒鱼电站每台机组RSW系统主要由4台RSW水泵,3台二次滤网,4台热交换器和一些阀门管道等组成;而CCW系统则由2台CCW泵,4列凝汽器和相应的二次滤网及一些阀门管道等组成.在电站正常运行时,RSW水泵和热交换器都是2台或3台运行,剩余的为备用.CCW系统在电站正常运行时则需要2台泵都投入运行.在泥沙淤积方面,设计院进行了多种工况下泥沙淤积物模实验,优化了设计,海水泵房在运行过程中没有出现过泥沙淤积问题.3管道防腐3.1秦山一期海水冷却水系统q2600mm管道采用A3钢材质,q1400mm管道采用10CrMoA1材质.两种管道均采用水泥砂浆衬里和阴极保护系统双重防护手段
10、,运行十几年海水循环水系统管道未出现穿孔,渗漏现象.但由于管道中海水流速大,对管道造成冲刷,部分区域水泥砂浆衬里出现脱落现象,针对水泥砂浆衬里脱落情况,在每次换料大修期间对原有的水泥沙浆防腐层进行检查,铲除海生生物,清理淤泥和腐蚀产物,处理松动的防腐层并采用涂刷环氧沥青类重型防腐漆进行加强修补,同时对管道强化阴极保护,以极大地降低管道的腐蚀.管道为p300q710mm,设计时管道采用了10CrMoA1材质,内壁采用水泥砂浆衬里防护工艺.通过大修期间对管道的检查,管壁严重腐蚀,水泥砂浆衬里脱落现象严重,对电厂的安全运行构成了影响.电厂在2002年4月大修期间对管道进行了改造,管道采用碳钢材质,内
11、壁采用聚合物水泥砂浆衬里工艺.聚合物水泥砂浆又称聚合物改性水泥砂浆或橡胶改性砂浆,是由水泥,骨料和可以分散(或再分散)在水中的有机聚合物同时伴合而成.它与钢的粘结力很高,聚合物在一定条件下成膜覆盖在水泥颗粒粒子上,并使水泥颗粒与砂石等骨料形成强有力的粘结,聚合物具有阻止微裂缝产生的能力,而且能阻止裂缝的扩展,从而提高其耐腐蚀性.通过大修期间对改造后的二回路海水冷却水管道的检查,管道运行12个循环,水泥砂浆层坚硬,表面光滑,没有出现空鼓或脱落现象.小口径管道和部分局部管道,设计时采用10CrMoA1材质,且管道内壁未做防腐处理.10CrMoA1材质耐海水腐蚀性能在短期内优于碳钢材质,材质表面富集
12、了含有Cr,Mo,Al的钝化膜,起到耐海水腐蚀的作用,但在海水长期冲刷下,该钝化膜被消耗,加剧了材质的腐蚀.电厂决定从管道内壁防腐角度人手,重新进行设计.此系列管道采用了碳钢材质,同时内壁采用熔融结合环氧粉末防腐涂装工艺.经过试验发现,熔融结合环氧粉末粘结性能好,涂层均匀,抗海水冲刷腐蚀性强.3.2秦山二期SEC水泵出水管至NX厂房的管道(GA沟)管径为DN700,内壁采用环氧沥青类重型防腐衬里和阴极保护系统双重防护措施,经检查防腐衬里正常.SEC系统从贝类捕集器进水管至设冷水热交换器出水管线之间的管道口径DN700,管材为低合金钢(10CrMoA1),管道内壁未做防腐处理,腐蚀主要表现为均匀
13、腐蚀(平均1.0mm左右,年),尽管弯头,三通,阀后管等部位的腐蚀要严重一些,但由于运行时间较短,总体来看局部腐蚀尚不严重.普通奥氏体不锈钢(例如304)不宜用于海水环境,为此,将SEC反冲洗管道管材由原来的304奥氏体不锈钢更换为10CrMoA1低合金钢.3.3秦山三期秦山三期海水系统大尺寸管道采用砂浆.27.核工程研究与设计2005年12月衬里,虽然这种衬里价格较低以及抗腐蚀性能也不错,但在其施工,保养,安装和接口处理等方面必须非常细心和严格控制才能保证砂浆衬里管道的质量,并且砂浆衬里管道不能用在振动较强烈和水流冲击严重的地方.CCW泵出口管原先都是砂浆衬里,检修时发现有脱落和裂纹,管道发
14、生腐蚀.大修期间,较大面积清除泵出口阀前和阀后1.52m范围内的砂浆衬里,采用”高分子一陶瓷”复合材料衬里,预计在lO年内具有良好的耐磨抗蚀性能.重要厂用水泵出口管及母管均更换为环氧衬里.秦山三期重要厂用水泵吸人口管浸没在海水中,管内壁采用水泥砂浆防腐,外壁采用环氧防腐,同时采用了外加电流阴极保护,运行两年后检查发现严重腐蚀,主要原因为:阴极保护系统和外壁采用环氧防腐效果不好,管道外表面的大量沉积物和附着物的影响.在大修期间,对阴极保护进行调整,重塑高性能防腐层和长效防污层.在秦山三期的CCW系统中,连接泵房到凝汽器的管道采用钢筋混凝土预制管道,这些管道在调试和运行期间没有出现过问题.4水泵4
15、.1秦山一期循环冷却水系统6台循环水泵为立式混流泵,电动机功率1600kW,流量16000m3/h,扬程25m,转速495r/min.设计时叶轮和导叶体采用ZG1Crl8Ni9奥式体不锈钢材质,设计寿命为25000h.而叶轮和导叶实际使用寿命平均约为5000h,最长使用寿命约为20000h,每次大修都要更换34个循环水泵叶轮.使用后叶轮损坏呈蜂窝状,并出现空洞与减薄,主要由汽蚀与磨蚀造成.曾将一台泵的叶轮和导叶体更换为双向不锈钢,其使用寿命约为700oh,但终因海水中含有大量泥沙,经汽.28.蚀与磨蚀,使叶轮千疮百孔.为减缓循环泵叶轮的腐蚀问题,对叶轮也进行了几次防腐处理,在叶轮和导叶体上涂装
16、高性能的陶瓷合金涂料,但效果不理想,设备解体时发现叶轮和导叶体磨损情况严重.4.2秦山二期.安全厂用水泵的类型为单级立式(后开式)离心泵,转速为980r/min,叶轮直径为.595mm,边缘叶片的线速度约30nds.SEC泵的叶轮磨损非常突出,泵壳也有一定的磨损量(泵壳,叶轮材料为ASTMA351CD3MWCuN);泵壳和叶轮采用涂覆陶瓷涂层来修复,流程大致是:表面喷砂0.75m清洗(保证表面干燥,无油脂及污渍)刮涂小颗粒涂层刷涂细粉末陶瓷.泵壳采用乐泰陶瓷涂层能够起到良好的保护作用,在一个检修周期内(5个月的累积运行时间)基本保证泵壳母材不受磨损.叶轮涂覆使用过乐泰和贝尔佐纳两种涂层.叶轮涂
17、层的效果不是很好,SEC反冲洗泵转速过高(2900r/min),除了海水腐蚀以外,更容易发生气蚀和磨损,检修周期很短,而且泵壳,叶轮每次都要更换,工作量大和检修成本高.安全厂用水泵目前新换的叶轮为英国WAIR公司的涂碳化钨的叶轮,运行近一年,状态正常,还没有解体,可以说该叶轮采用涂碳化钨处理是比较好的方式.反冲洗泵是单级卧式离心泵,泵的体积较小,转速很高,为2900r/min,叶轮,泵壳的材料为ZERON25.检修周期为连续运行3个t月,叶轮,泵壳损坏严重,无法继续使用.更换了其中一台反冲洗泵,重新进行了选型,降低了泵的转速,降为1470r/min,材料为A8905A.密封由原来的盘根密封改为
18、机械密封.改造后收到了非常好的效果,大幅度延长了检修周期(连续运行约一年),泵壳叶轮气蚀,磨损情况好了很多(泵的具体使用寿命有待进一步验证).在累积运行一年后叶轮泵壳较为第55期武红兵等:秦山地区核电站海水冷却水系统泥沙淤积和腐蚀现象与对策完好,泵的性能基本不变.4.3秦山三期电站安全冷却水系统(RSW)的海水泵的设计参数:转速596r/min,流量12490m3/h,扬程23.2m.叶轮为立式双吸式,叶轮采用316不锈钢铸造,上下耐磨口环均为174PH沉淀硬化不锈钢锻造.运行初期,泵出口水压为2.4kgf/cm,后期下降为1.8kgf/cm.使用1012月后,叶轮损坏严重.对叶轮失效分析表明
19、:叶片减薄严重的主要原因是泥沙的显微磨削作用;局部区域的材料流失严重是气蚀加速的磨削造成的.泵的材料都按照防腐蚀性能设计,叶轮为316铸钢,泵壳为高镍铸铁.但是这些材料硬度低,在气蚀与泥沙冲蚀的双重作用下,累计运行时间仅1年,叶轮,导流座及泵壳冲刷面呈蜂窝状,叶轮已不可修复.泵壳用乐泰防腐材料修复,累计运行6个月后无明显损伤.口环材质为174PH,也存在明显磨损.CCW泵叶轮采用双相不锈钢材质,但效果不佳5阀门秦山一期资料中有关阀门的论述不多,目前采取的方法是更换腐蚀严重的阀门.秦山二期SEC水泵的出口止回阀为旋启式止回阀,WCB材质的阀瓣臂严重腐蚀,阀体,阀盖内壁有玻璃片,陶瓷(STBLLT
20、E)衬里,在运行中有少量阀瓣摩擦处磨损,水力磨损量极小.阀门的内漏一方面是由于阀瓣阀座密封面的磨损引起的,另一方面是由于阀瓣在转轴上两端的调整环磨损变形,造成阀瓣与阀座的密封面之间有错位.现场测量阀瓣位置,并根据原来阀瓣臂的尺寸用316不锈钢加工新的阀瓣臂,并配做阀瓣臂转动部分连接调整环,消除阀瓣和阀座之间的错位,安装使用效果很好,问题得到解决.316材质阀瓣的整体基本上没有明显的腐蚀损坏,只有密封面磨损,与阀座的密封面磨损一样,进行堆焊研磨,效果不错.SEC尺寸较大的蝶阀(DN500一DN800)性能稳定,阀体同样为WCB合金,阀座为316不锈钢,情况良好,阀体内壁,阀瓣表面也有玻璃片,陶瓷
21、(STBLLTE)衬里保护,耐腐蚀和耐磨性能都很好.个别阀门出现阀瓣周围的密封橡胶圈的破损现象,更换解决问题.SEC反冲洗管道上的阀门因为管道流速高,阀座的磨损现象比较严重,包括衬胶的磨损,小口径阀门采取整体更换的方式.秦山二期海水系统(例如SEC系统)管道法兰密封面与阀门之间是通过石墨缠绕垫圈连接的,解体检查时多次发生法兰密封面腐蚀损坏现象,分析原因也是电偶腐蚀所致,以后应改为橡胶垫片.秦山三期阀门采用衬胶防腐,状况良好.6滤网秦山一期和三期海水系统使用的是板框式旋转滤网,而二期使用的是鼓型旋转滤网.一期和三期的资料中有关旋转滤网的论述不多,一期曾出现旋转滤网前泥沙淤积厚度高达1.8m以上,
22、造成滤网无法启动.秦山二期循环水系统和安全厂用水系统的鼓形滤网的故障主要因泥沙和杂草引起,例2003年2月18日,鼓形滤网1CRF2O2TF故障停运,原因是底部泥沙杂草淤积,导致鼓网不能启动,同时,鼓网过水量减少,2号循环水泵吸水不足,部分空气进入循环水冷却系统.有关部门分析了事件原因和过程.编制了该类故障的处理规程,其主要思路是鼓网停运后要严密监视鼓网两侧的压差,当压差大于400mm时,即认为鼓网无法运行,立即降负荷并停运相应的CRF泵.(下转第4O页).29.核工程研究与设计2005年12月一个共同特性,排气压力设定越高,所需消耗的空压机轴功率就越多.根据理论计算,排气压力每提高lkgf(
23、0.1MPa)可以消耗7%的轴功率.所以,在满足现场使用压力的前提下,要尽可能地将空压机排气压力设低.通过比较可以看出,在满足用户气质要求下,输灰压缩空气系统选用无热再生干燥机可以获得较高的压缩空气品质,但却消耗了更多的能源及资金7结束语在空压站的设计中如何做到节能关系到企业的生产成本.因此,在保障供气满足生产需要的前提下,应注意结合实际情况,将实施效果与成本进行比较,综合考虑来确定合理的设计方案.随着技术的发展,各设备生产厂逐步研制和开发出性能优良且更为节能的产品,我们应该更多地了解这方面信息并积极推广.参考文献1】压缩空气站设计手册编写组.压缩空气站设计手册.北京:机械工业出版社,1993
24、2杨寿亭.压缩空气站的节能设计.节能,2003年,第1期3】童上高.工厂空气动力系统节能方法探讨.节能,2003年,第5期(上接第29页)此外在以后的大修中,均对各个鼓网进行了重点整治,鼓网变形停运的事件没有再发生.秦山二期的鼓网结构材料主要是合金钢,碳钢,如果涂料脱落,极容易锈腐,比如鼓网拉筋由于是用螺栓来调整鼓网垂直度,该处容易腐蚀生锈,导致拉筋容易在运行中断裂,故防腐措施不容忽视,设计采取的防腐涂料加牺牲阳级保护措施是得当的.7总结秦山地区核电站高含沙量海水冷却水系统泥沙淤积是一个无法回避的问题,在海水冷却水系统设计中,必须考虑处理泥沙淤积的问题,通过流道设计,尽量满足水力平滑和保证流速
25、,以求做到泥沙始终进出平衡.需分析系统的不同运行工况,尤其需考虑停运系列流道防止泥沙淤积和必要的清淤措施,避免泥沙淤积造成系统不可运行,通过模型实.40.验等手段预测泥沙淤积的趋势和形态.管道和设备防腐措施包括合理选材,优化防腐结构设计,表面涂(镀)层处理,施加阴极保护等四个方面.为了提高水泵叶轮的使用寿命,材料不但应具有较高的抗海水腐蚀性能,而且还要有较高的硬度等.今后还应在材质和防腐材料的选材上进行进一步的研究.高含沙量海水给核电站海水冷却水系统的设计,设备选型,材料选择和防腐措施以及运行维护带来一系列问题,系统设计,选材,设备结构设计,防腐设计,运行及维护等任何一个环节出现的疏忽都将会影响海水冷却水系统的正常运行,这需要设计和运行工程师充分重视,不断总结经验教训,提高设计和运行能力,确保海水冷却水系统的正常运行.参考文献2005年核电站海水系统问题及其对策研讨会论文集
