1、秦山地區核電站海水冷卻水系統泥沙淤積和腐蝕現象與對策?技術交流?秦山地區核電站海水冷卻水系統泥沙淤積和腐蝕現象與對策院副總工程師研究員級高級工程師武紅兵建筑所研究員級高級工程師宋建軍摘要本文總結了中核集團在杭州舉辦的核電站海水系統問題及其對策研討會上有關海水冷卻水系統防止泥沙淤積,管道,水泵,閥門和濾網的防腐措施的交流經驗,以利提高我院海水冷卻水系統和相關設備的設計水平.關鍵詞:海水冷卻水;泥沙淤積;防腐措施1前言秦山地區核電站地處錢塘江與長江人海交匯處的杭州灣,因海水中泥沙含量高,先后投入運行的5臺機組,其海水冷卻水系統的管道,閥門,水泵,濾網,凝汽器和熱交換器都不同程度的出現了泥沙淤積和腐

2、蝕現象,嚴重影響了核電站安全和經濟運行.對海水冷卻水系統出現的上述問題,秦山地區各電站與設計院進行了積極的研究和整治,積累了很多的寶貴經驗,交流和共享這些經驗對已投入運行的電站和正在設計的電站具有很大的必要性.為此,2o05年9月,中核集團核電部委托核電秦山聯營有限公司在杭州舉辦核電站海水系統問題及其對策研討會.本文總結此次研討會有關海水冷卻水系統防止泥沙淤積,管道,水泵,閥門和濾網的防腐措施的交流經驗,以利提高我院海水冷卻水系統和相關設備的設計水平.2海水冷卻水系統防止泥沙淤積2.1秦山一期秦山一期的海水系統主要由取水涵管,聯接井,閘門,欄污柵,取水隧道,旋轉濾網,重要廠用水泵,循環水泵等設

3、備組成,為核島,常規島提供循環冷卻水源.秦山一期是我國第一座自主設計,建造的核電站,已于1991年并網發電.由于對杭州灣泥沙特性缺乏了解,海水冷卻水系統設計對泥沙淤積問題估計不足,一般工況下,至少有兩臺備用循環水泵停用,由于水泵停運造成吸入池內泥沙淤積嚴重(在停堆換料檢修期間與長期停泵后尤甚,泥沙淤積最高時達到2.8m以上),致使進水流道堵塞,設備因沖刷,腐蝕損壞嚴重(特別是海水循環水泵,安全海水泵,閥門,管道及相關設備損壞頻率很高),經常發生泵斷軸,軸瓦燒毀,機械密封損壞,葉輪沖刷,汽蝕嚴重及閥門,管道腐蝕穿孔等故障,直接影響到海水系統及設備的正常運行.秦山一期委托清華大學進行取水涵管延伸后

4、泥沙在系統中的淤積和運行對策的試.25.核-tit研究與設計2005年12月驗.即:循環水泵正常運行時,為了盡量減少備用流道泥沙淤積造成的危害,每一個流道的循環水泵在710天必須切換一次,避免進水流道泥沙淤積過高,影響循環水泵的啟動和運行.換料大修期間,循環泵停運,只有一臺海水泵運行時,為防止整個進水流道發生淤積,則每隔1o一15天啟動循環泵,運行3-4h進行排沙沖淤,效果明顯.目前秦山一期正結合一期擴建項目的前期工作,進行水文測驗和水下地形測量,在物模試驗成果的基礎上確定取水涵管和取水口的改造.2.2秦山二期在進行秦山二期聯合泵房(px)的設計過程中,考慮到廠址所處杭州灣海水中泥沙含量較高,

5、設計中必然存在一定的特殊性.為了使設計合理,保證循環水系統(crf)和安全廠用水系統(sec)的正常運行,進行了一定的調研和一系列的科學試驗,并將試驗結果應用在具體的設計中.從泵房進海水開始調試至今,運行時間已4年左右.這其中,圍繞泥沙淤積出現了一些問題,重點集中在sec部分.安全廠用水系統的功能是把由設備冷卻水系統(rri)收集的熱負荷傳遞到最終熱阱海水,其系統由兩個獨立的且實體隔離的回路構成,每個系列有兩臺并聯的100%sec泵,在整個sec系統的起點,通過兩條dn1200的鋼筋砼的隧道從杭州灣取水,經過近30(0的輸水隧道后,進入安全廠用水泵房.泵房內設有4臺sec鼓形濾網,對應每臺鼓形

6、濾網的上游分別配備有一個檢修閘門,2臺攔污柵和格柵除污機.鼓形濾網的出口進入sec泵的吸水暗渠,吸水暗渠分為兩格,每兩臺鼓形濾網的出水與一格暗渠相連,兩格暗渠中間以雙隔離閥隔開,平時關閉,每格暗渠與兩個機組的各一個系列sec泵相連.sec系統經過一段時間的調試和運行,發現暗渠內會沉積大量的泥沙.如果按照原.26.設計運行方式,即在正常運行工況下,為每個堆服務的兩個sec系列的4臺泵僅其中1臺運行,而不運行系列的水泵在經過一段不長的時間后,泥沙就會堵塞水泵的吸水口,導致水泵喪失功能,影響最終熱阱的安全性.按照物理模型的試驗結論,決定每個sec系列在正常運行工況均投入一臺泵運行,周期系列間切換.利

7、用運行泵抽吸的覆蓋面,來達到保證2個sec系列的水泵均可以順利啟動,從而保證最終熱阱的安全性.基于秦山二期1,2機組的設計與運行經驗,秦山二期3,4機組sec系統改進措施重點在于改變吸水暗渠的形式,由2個吸水暗渠改為4個吸水暗渠,每個sec系列對應1個吸水暗渠,并均有各自的檢修孑l.檢修孑l采用盲板的方式,以減少由于”呼吸作用”進入暗渠的泥沙量.每個吸水暗渠包括2臺sec泵,2臺鼓形濾網反沖洗泵,1臺鼓形濾網.系列3a4b的吸水暗渠和系列3b4a的吸水暗渠分別通過管道連通,連通管上加隔離閥.采用上述改進措施,可以減少在正常運行工況下sec泵的運行數量,恢復sec泵的運行工況(即:正常運行工況下

8、兩個sec系列僅運行一臺sec泵),便利單獨處理每個暗渠中可能出現的泥沙淤積問題.2-3秦山三期秦山三期重水堆核電站設有2臺700mw級機組,每臺機組的海水冷卻系統主要包括重要廠用水系統(rawservicewater,以下簡稱rsw系統)和凝汽器冷卻水系統(condensercoolingwater,以下簡稱ccw系統)組成.rsw系統的功能是在各種電站運行工況下為核島提供足夠的冷卻海水,而ccw系統則為電站凝汽器提供了冷卻水源.海水泵房從杭州灣取水,冷卻水取水系統通過4個速度帽向4條取水方涵供水,在方涵和泵房之間的泵房前池用以均衡水位,分配水量,減小波浪影響.第55期武紅兵等:秦山地區核電

9、站海水冷卻奎系統沙塑盛叢壘魚電站每臺機組rsw系統主要由4臺rsw水泵,3臺二次濾網,4臺熱交換器和一些閥門管道等組成;而ccw系統則由2臺ccw泵,4列凝汽器和相應的二次濾網及一些閥門管道等組成.在電站正常運行時,rsw水泵和熱交換器都是2臺或3臺運行,剩余的為備用.ccw系統在電站正常運行時則需要2臺泵都投入運行.在泥沙淤積方面,設計院進行了多種工況下泥沙淤積物模實驗,優化了設計,海水泵房在運行過程中沒有出現過泥沙淤積問題.3管道防腐3.1秦山一期海水冷卻水系統q2600mm管道采用a3鋼材質,q1400mm管道采用10crmoa1材質.兩種管道均采用水泥砂漿襯里和陰極保護系統雙重防護手段

10、,運行十幾年海水循環水系統管道未出現穿孔,滲漏現象.但由于管道中海水流速大,對管道造成沖刷,部分區域水泥砂漿襯里出現脫落現象,針對水泥砂漿襯里脫落情況,在每次換料大修期間對原有的水泥沙漿防腐層進行檢查,鏟除海生生物,清理淤泥和腐蝕產物,處理松動的防腐層并采用涂刷環氧瀝青類重型防腐漆進行加強修補,同時對管道強化陰極保護,以極大地降低管道的腐蝕.管道為p300q710mm,設計時管道采用了10crmoa1材質,內壁采用水泥砂漿襯里防護工藝.通過大修期間對管道的檢查,管壁嚴重腐蝕,水泥砂漿襯里脫落現象嚴重,對電廠的安全運行構成了影響.電廠在2002年4月大修期間對管道進行了改造,管道采用碳鋼材質,內

11、壁采用聚合物水泥砂漿襯里工藝.聚合物水泥砂漿又稱聚合物改性水泥砂漿或橡膠改性砂漿,是由水泥,骨料和可以分散(或再分散)在水中的有機聚合物同時伴合而成.它與鋼的粘結力很高,聚合物在一定條件下成膜覆蓋在水泥顆粒粒子上,并使水泥顆粒與砂石等骨料形成強有力的粘結,聚合物具有阻止微裂縫產生的能力,而且能阻止裂縫的擴展,從而提高其耐腐蝕性.通過大修期間對改造后的二回路海水冷卻水管道的檢查,管道運行12個循環,水泥砂漿層堅硬,表面光滑,沒有出現空鼓或脫落現象.小口徑管道和部分局部管道,設計時采用10crmoa1材質,且管道內壁未做防腐處理.10crmoa1材質耐海水腐蝕性能在短期內優于碳鋼材質,材質表面富集

12、了含有cr,mo,al的鈍化膜,起到耐海水腐蝕的作用,但在海水長期沖刷下,該鈍化膜被消耗,加劇了材質的腐蝕.電廠決定從管道內壁防腐角度人手,重新進行設計.此系列管道采用了碳鋼材質,同時內壁采用熔融結合環氧粉末防腐涂裝工藝.經過試驗發現,熔融結合環氧粉末粘結性能好,涂層均勻,抗海水沖刷腐蝕性強.3.2秦山二期sec水泵出水管至nx廠房的管道(ga溝)管徑為dn700,內壁采用環氧瀝青類重型防腐襯里和陰極保護系統雙重防護措施,經檢查防腐襯里正常.sec系統從貝類捕集器進水管至設冷水熱交換器出水管線之間的管道口徑dn700,管材為低合金鋼(10crmoa1),管道內壁未做防腐處理,腐蝕主要表現為均勻

13、腐蝕(平均1.0mm左右,年),盡管彎頭,三通,閥后管等部位的腐蝕要嚴重一些,但由于運行時間較短,總體來看局部腐蝕尚不嚴重.普通奧氏體不銹鋼(例如304)不宜用于海水環境,為此,將sec反沖洗管道管材由原來的304奧氏體不銹鋼更換為10crmoa1低合金鋼.3.3秦山三期秦山三期海水系統大尺寸管道采用砂漿.27.核工程研究與設計2005年12月襯里,雖然這種襯里價格較低以及抗腐蝕性能也不錯,但在其施工,保養,安裝和接口處理等方面必須非常細心和嚴格控制才能保證砂漿襯里管道的質量,并且砂漿襯里管道不能用在振動較強烈和水流沖擊嚴重的地方.ccw泵出口管原先都是砂漿襯里,檢修時發現有脫落和裂紋,管道發

14、生腐蝕.大修期間,較大面積清除泵出口閥前和閥后1.52m范圍內的砂漿襯里,采用”高分子一陶瓷”復合材料襯里,預計在lo年內具有良好的耐磨抗蝕性能.重要廠用水泵出口管及母管均更換為環氧襯里.秦山三期重要廠用水泵吸人口管浸沒在海水中,管內壁采用水泥砂漿防腐,外壁采用環氧防腐,同時采用了外加電流陰極保護,運行兩年后檢查發現嚴重腐蝕,主要原因為:陰極保護系統和外壁采用環氧防腐效果不好,管道外表面的大量沉積物和附著物的影響.在大修期間,對陰極保護進行調整,重塑高性能防腐層和長效防污層.在秦山三期的ccw系統中,連接泵房到凝汽器的管道采用鋼筋混凝土預制管道,這些管道在調試和運行期間沒有出現過問題.4水泵4

15、.1秦山一期循環冷卻水系統6臺循環水泵為立式混流泵,電動機功率1600kw,流量16000m3/h,揚程25m,轉速495r/min.設計時葉輪和導葉體采用zg1crl8ni9奧式體不銹鋼材質,設計壽命為25000h.而葉輪和導葉實際使用壽命平均約為5000h,最長使用壽命約為20000h,每次大修都要更換34個循環水泵葉輪.使用后葉輪損壞呈蜂窩狀,并出現空洞與減薄,主要由汽蝕與磨蝕造成.曾將一臺泵的葉輪和導葉體更換為雙向不銹鋼,其使用壽命約為700oh,但終因海水中含有大量泥沙,經汽.28.蝕與磨蝕,使葉輪千瘡百孔.為減緩循環泵葉輪的腐蝕問題,對葉輪也進行了幾次防腐處理,在葉輪和導葉體上涂裝

16、高性能的陶瓷合金涂料,但效果不理想,設備解體時發現葉輪和導葉體磨損情況嚴重.4.2秦山二期.安全廠用水泵的類型為單級立式(后開式)離心泵,轉速為980r/min,葉輪直徑為.595mm,邊緣葉片的線速度約30nds.sec泵的葉輪磨損非常突出,泵殼也有一定的磨損量(泵殼,葉輪材料為astma351cd3mwcun);泵殼和葉輪采用涂覆陶瓷涂層來修復,流程大致是:表面噴砂0.75m清洗(保證表面干燥,無油脂及污漬)刮涂小顆粒涂層刷涂細粉末陶瓷.泵殼采用樂泰陶瓷涂層能夠起到良好的保護作用,在一個檢修周期內(5個月的累積運行時間)基本保證泵殼母材不受磨損.葉輪涂覆使用過樂泰和貝爾佐納兩種涂層.葉輪涂

17、層的效果不是很好,sec反沖洗泵轉速過高(2900r/min),除了海水腐蝕以外,更容易發生氣蝕和磨損,檢修周期很短,而且泵殼,葉輪每次都要更換,工作量大和檢修成本高.安全廠用水泵目前新換的葉輪為英國wair公司的涂碳化鎢的葉輪,運行近一年,狀態正常,還沒有解體,可以說該葉輪采用涂碳化鎢處理是比較好的方式.反沖洗泵是單級臥式離心泵,泵的體積較小,轉速很高,為2900r/min,葉輪,泵殼的材料為zeron25.檢修周期為連續運行3個t月,葉輪,泵殼損壞嚴重,無法繼續使用.更換了其中一臺反沖洗泵,重新進行了選型,降低了泵的轉速,降為1470r/min,材料為a8905a.密封由原來的盤根密封改為

18、機械密封.改造后收到了非常好的效果,大幅度延長了檢修周期(連續運行約一年),泵殼葉輪氣蝕,磨損情況好了很多(泵的具體使用壽命有待進一步驗證).在累積運行一年后葉輪泵殼較為第55期武紅兵等:秦山地區核電站海水冷卻水系統泥沙淤積和腐蝕現象與對策完好,泵的性能基本不變.4.3秦山三期電站安全冷卻水系統(rsw)的海水泵的設計參數:轉速596r/min,流量12490m3/h,揚程23.2m.葉輪為立式雙吸式,葉輪采用316不銹鋼鑄造,上下耐磨口環均為174ph沉淀硬化不銹鋼鍛造.運行初期,泵出口水壓為2.4kgf/cm,后期下降為1.8kgf/cm.使用1012月后,葉輪損壞嚴重.對葉輪失效分析表明

19、:葉片減薄嚴重的主要原因是泥沙的顯微磨削作用;局部區域的材料流失嚴重是氣蝕加速的磨削造成的.泵的材料都按照防腐蝕性能設計,葉輪為316鑄鋼,泵殼為高鎳鑄鐵.但是這些材料硬度低,在氣蝕與泥沙沖蝕的雙重作用下,累計運行時間僅1年,葉輪,導流座及泵殼沖刷面呈蜂窩狀,葉輪已不可修復.泵殼用樂泰防腐材料修復,累計運行6個月后無明顯損傷.口環材質為174ph,也存在明顯磨損.ccw泵葉輪采用雙相不銹鋼材質,但效果不佳5閥門秦山一期資料中有關閥門的論述不多,目前采取的方法是更換腐蝕嚴重的閥門.秦山二期sec水泵的出口止回閥為旋啟式止回閥,wcb材質的閥瓣臂嚴重腐蝕,閥體,閥蓋內壁有玻璃片,陶瓷(stbllt

20、e)襯里,在運行中有少量閥瓣摩擦處磨損,水力磨損量極小.閥門的內漏一方面是由于閥瓣閥座密封面的磨損引起的,另一方面是由于閥瓣在轉軸上兩端的調整環磨損變形,造成閥瓣與閥座的密封面之間有錯位.現場測量閥瓣位置,并根據原來閥瓣臂的尺寸用316不銹鋼加工新的閥瓣臂,并配做閥瓣臂轉動部分連接調整環,消除閥瓣和閥座之間的錯位,安裝使用效果很好,問題得到解決.316材質閥瓣的整體基本上沒有明顯的腐蝕損壞,只有密封面磨損,與閥座的密封面磨損一樣,進行堆焊研磨,效果不錯.sec尺寸較大的蝶閥(dn500一dn800)性能穩定,閥體同樣為wcb合金,閥座為316不銹鋼,情況良好,閥體內壁,閥瓣表面也有玻璃片,陶瓷

21、(stbllte)襯里保護,耐腐蝕和耐磨性能都很好.個別閥門出現閥瓣周圍的密封橡膠圈的破損現象,更換解決問題.sec反沖洗管道上的閥門因為管道流速高,閥座的磨損現象比較嚴重,包括襯膠的磨損,小口徑閥門采取整體更換的方式.秦山二期海水系統(例如sec系統)管道法蘭密封面與閥門之間是通過石墨纏繞墊圈連接的,解體檢查時多次發生法蘭密封面腐蝕損壞現象,分析原因也是電偶腐蝕所致,以后應改為橡膠墊片.秦山三期閥門采用襯膠防腐,狀況良好.6濾網秦山一期和三期海水系統使用的是板框式旋轉濾網,而二期使用的是鼓型旋轉濾網.一期和三期的資料中有關旋轉濾網的論述不多,一期曾出現旋轉濾網前泥沙淤積厚度高達1.8m以上,

22、造成濾網無法啟動.秦山二期循環水系統和安全廠用水系統的鼓形濾網的故障主要因泥沙和雜草引起,例2003年2月18日,鼓形濾網1crf2o2tf故障停運,原因是底部泥沙雜草淤積,導致鼓網不能啟動,同時,鼓網過水量減少,2號循環水泵吸水不足,部分空氣進入循環水冷卻系統.有關部門分析了事件原因和過程.編制了該類故障的處理規程,其主要思路是鼓網停運后要嚴密監視鼓網兩側的壓差,當壓差大于400mm時,即認為鼓網無法運行,立即降負荷并停運相應的crf泵.(下轉第4o頁).29.核工程研究與設計2005年12月一個共同特性,排氣壓力設定越高,所需消耗的空壓機軸功率就越多.根據理論計算,排氣壓力每提高lkgf(0.1mpa)可以消耗7%的軸功率.所以,在滿足現場使用壓力的前提下,要盡可能地將空壓機排氣壓力設低.通過比較可以看出,在滿足用戶氣質要求下,輸灰壓縮空氣系統選用無熱再生干燥機可以獲得較高的壓縮空氣品質,但卻消耗了更多的能源及資金7結束語在空壓站的設計中如何做到節能關系到企業的生產成本.因此,在保障供氣滿足生產需要的前提下,應注意結合實際情況,將實施效果與成本進行比較,綜合考慮來確定合理的設計方案.隨著技術的發展,各設備生產廠逐步研制和開發出性能優良且更為節能的