钊新维 裴海林 罗光辉 汪俊波
【摘 要】在某水电站检查过程中发现空冷器出现漏水的情况，对空冷器运行故障进行排查，发现空冷器故障原因为胀接口位置管壁减薄。为保障电站的运行安全，需要一段时间对空冷器的部件进行更换，并且在停运时间内制定了特训制度等相关运行策略。如何确定更换冷却管的材质、壁厚以及胀接工艺等成为更换方案制定过程中的困难因素。对此状况针对性地提出了一套更换方案：采用不锈钢冷却管胀焊工艺，增加管道壁厚。该方案的实施对确保大型水电站空冷器安全稳定的运行具有重要意义。
【关键词】空冷器;胀接口;漏水;更换方案
中图分类号： TQ051.5;TQ221.2 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）17-0030-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.013
The Failure Analysis of Expanding Interface and the Replacing Scheme of
Air Cooler to Guaranteed Operation Program
ZHAO Xin-wei1 PEI Hai-lin2 LUO Guang-hui2 WANG Jun-bo2
（1.XIAN Thermal Power Research Institute Co. Ltd， Xian Shaaxi 710000 China;
2.Nuozhadu hydraulic power plant of the Huaneng Lancang River Hydropower Company，Yunnan Puer 665005 China）
【Abstract】During the inspection of a hydropower station， the water leakage of air cooler was founded. After the investigation found that the reason of this fault of air cooler is the thinning shell of pipe of expanding interface. To ensure the safety of power station operation，it must take some time to take the place of the parts of air cooler. In addition， and other relevant operation strategies like the special training system were formulated during decommissioning. It is hard to deside how to determine the replacement of the cooling pipe material， thickness and expansion process.
In view of this situation， put forward a replacement plan： Using expansion welding process for
stainless steel as cooling tube and increase the thickness of pipe wall. The implementation of the scheme is significance to ensure the safety and stability of air coolers in large hydropower station.
【Key words】Air cooler; Expanding interface; Water leakage; Replacement plan
0 引言
换热器（heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其他许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛[1]。
水电站使用的冷却器主要部件是发电机推理轴承、发电机定子冷却器、发电机上导轴承，发电机下导轴承，水轮机水导轴承。通过在管程中运行冷却介质（如水），在壳程中运行被冷却介质如（空气/油），达到冷却定子或轴承的目的。随着机组的运行冷却器容易发生以下缺陷：端盖渗漏（焊缝缺陷或涨接间隙扩大），外壁机械损伤，外壁腐蚀，内壁腐蚀，内壁积垢。尤其是换热器胀接口缺陷，将直接导致换热器，严重影响机组安全稳定运行。通常只能采用胀接口焊接修复或更换空冷器的方式处理。
在制定空冷器运行和维护策略时，从发现缺陷到处理缺陷存在一个时间段，需要完成原因分析，处理方案确定，设备采购等，这段时间内如何确定运行空冷器的策略就非常迫切。空冷器尤其在空冷器更换过程中，选择冷却材质、计算壁厚、改进胀接工艺等方面，存在诸多影响因素，更换方案的制定存在巨大困难，本文针对性的整理了空冷器运行策略及更换方案，并在某水电站空冷器更换中进行成功应用，说明该方案在确保大型水电站空冷器更换的可靠、安全稳定运行有重要意义。
1 现状及问题
1.1 现状
电厂维护人员在开展定期风洞巡视检查中，分别发现#5发电机2号空冷器漏水;#6发电机1、4、10、14号空冷器漏水;#7发电机4、9号漏水、#9發电机4、8、12、13号空冷器漏水。为防止漏水情况进一步恶化影响机组安全稳定运行，发现空冷器漏水后，运行人员立即对漏水空冷器进行隔离。
根据发现的异常情况，电厂于9月2日-9月17日组织对各台发电机出现漏水问题的空冷器进行了更换，完成漏水的#9发电机4、8、12、13号空冷器，#7发电机4、9号空冷器，#6发电机4、10、14号空冷器，#5发电机2号空冷器更换工作，更换后经机组运行观察空冷器运行正常。初步判断空冷器漏水的原因为冷却铜管端头胀管部位过薄，长时间运行受水流冲刷磨损、腐蚀造成薄弱部位破损。
我厂9号发电机冷却方式均为密闭自循环空气冷却，安装14个芜湖某厂家生产的空冷器，型号为280/50/4/2-ESV-S141-34S253，结构为内部紫铜管外加铝质散热片，铜管采用胀管工艺安装，紫铜管径Φ14mm，壁厚0.8mm。
漏点检查情况：
2016年11月11日，针对9号发电机2、3号空冷器进行打压试验，压力升至0.2Mpa时检查发现两台冷却器均存在两处漏点，漏点均处于空冷器的上端部。以下为漏点处照片。
1.2 空冷器失效原因分析
1.2.1 换热管结垢
换热器使用工业循环水冷却，使用过程中，水会不断蒸发、风化，导致循环水含盐量不断增加，最后结垢析出。冷却水在使用过程中与空气接触，也会溶解灰尘、微生物等，也会导致结垢。
1.2.2 换热器失效
换热管是直接接触生产物料的主要部件，经常会因为选材、加工制造技术、实际工况复杂等引起腐蚀，或因力学因素导致泄漏。据统计，换热管失效的主要位置有3处。（1）换热管与管板连接处，该处可能因为焊接技术的问题或者物料冲刷腐蚀等出现裂纹，引起换热器内漏。（2）换热管与折流板的配合处，换热器在生产过程中，换热管与折流板的配合处留有一定的间隙，在壳程的流体冲击下，间隙会逐步增大，在配合处引发泄露。（3）管束表面腐蚀穿孔，管程走循环水冷却，管内有部分粘泥沉积产生污垢，沉积物导致缝隙内Cl-浓度增大，H+和Cl-形成腐蚀强烈的盐酸，使管束腐蚀而穿孔内漏。
1.2.3 换热器壳程磨损腐蚀
由于石油化工中的生产介质往往具有一定的粘连性，为防止介质沉淀结垢，一般要求流体流速较快。因为流体与壳程相对速度较大，经过流体长时间的冲刷，使换热器构件表面常会产生腐蚀损坏。
结合我厂漏水情况，分析漏水原因主要为：
（1）空冷器铜管材质为紫铜，壁厚为0.8mm，加之铜管是通过胀管方式安装进冷却片及铜管承管板，铜管胀接后会导致壁厚相应减薄，而穿越承管板的铜管要经历冷却片胀接及承管板胀接两道工序，因此承管板部位的铜管壁厚更薄，因此长期运行该部位的铜管极易发生破裂，初步分析该原因为本次漏水的主要原因;
（2）我厂空冷器材质为紫铜，耐腐蚀程度不及性能更优良的镍铜合金，因此长时间运行后受泥沙的冲刷磨损，将导致铜管的薄弱部分发生破裂。
1.3 难点
目前厂家给出了新的冷却器更换方案，但对更换方案适用性复核还是存在许多难点。
冷却管材料更换的合理性，空冷器材质为紫铜，长时间运行后受泥沙的冲刷磨损，将导致铜管的薄弱部分发生破裂。如何选择更适合电厂的材料。
冷却管壁厚经过冷却片胀接及承管板胀接两道工序，设计文件中没有给出工艺减薄的计算方案，另外在冷却器运行过程中进水侧存在泥沙的冲刷磨损，管壁薄弱位置需要进行冲蚀磨损壁厚复核。
材料的胀接工艺影响管壁减薄，以及运行过程中冲刷，是导致这次冷却器失效及机组故障的主要原因，因此胀接工艺如何控制管壁工艺减薄，如何加强密封，胀接后存在的应力及应力腐蚀的风险如何避免，这些都需要复核。
在新的更换方案中对管道壁厚，管道材质进行更换，这些参数变换后冷却器效率是否存在影响，冷却效率是否符合机组设计要求，都需要进一步复核。
2 运维对策
2.1 运行对策
（1）建立某电厂发电机空气冷却器特巡制度。按照《发电设备巡回检查管理标准》，机组停机后及时进入风洞巡检，重点检查空冷器，并按《风洞巡检记录表》进行记录。
（2）通过风洞内高清摄像头，监视空冷器运行情况。
（3）在保证各导轴承瓦温不上升的情况下，降低供水水压，调整供、排水管路压差，减缓水流通过冷却器的流速。
（4）将技术供水方式由正向供水切换为反向供水，以减轻冷却器原进水口端管壁的持续磨损。
（5）调研新型的耐磨耐腐蚀的空冷器进行空冷器整体改造。
2.2 维护对策
针对目前存在的难点，目前电厂对这一厂家的空冷器制定更换计划，通过调研，优选供货厂家，联系厂家后，厂家给出的更换方案是，改进胀接工艺，更换冷却水管材质，提高冷却壁厚。
（1）冷却管材料优化，相比于空冷器目前的材质紫铜，因为紫铜长时间运行后受泥沙的冲刷磨损，将导致铜管的薄弱部分发生破裂。不锈钢材料的硬度更高，耐磨性更好，建议更换为不锈钢316L材质。
（2）胀接口壁厚减薄监测，冷却管经过冷却片胀接及承管板胀接两道工序，管壁不可避免地存在工艺减薄，另外在冷却器运行过程中进水侧存在泥沙的冲刷磨损，减薄比出水侧更快，但运维过程中缺少监测冷却管壁厚的技术，可以通过监测管道内径的变化来计算壁厚减薄。所以建议从入场时开始，以后每次B级以上的检修，监测冷却管胀接口内径。
（3）胀接口连接工艺改进，材料的胀接工艺不可避免地造成管壁减薄，加工应力的积累，成为空冷器运行的一个薄弱环节。同时胀接位置是两种材质的连接，冷却水管为紫铜，管板为碳钢，连接位置长时间运行，由于膨胀系数不同，容易在胀接口位置渗漏。而对冷却水管和管板进行焊接然后进行热处理可以有效克服上述不足，因此建议采用胀焊工艺加焊后热处理代替胀接工艺。
（4）壁厚优化，管道材质和厚度变化后会影响冷却器效率，经过厂家生产验证，1.0毫米对不锈钢管替换原先0.8毫米的紫铜管，冷却效率确实存在一定下降，但更换后冷却效率也能够满足机组运行对定子冷却的要求，所以建议，采用1.0毫米对不锈钢管优化0.8毫米的紫铜管。
经过空冷器更换试验，完成9号机漏水的空冷器的更换，根据对更换位置冷却器环境温度，出口热风温度及定子铁芯温度的分析，该位置定子铁芯温度满足运行规程要求，在各种工况下，该位置定子铁芯温度较其他位置没有升高，漏水情况得到解决，试验取得成功。
3 结语
（1）某电厂发电机空气冷却器运行策略：建立特巡制度，高清摄像头监视空冷器运行，降低供水水压，减缓水流通过冷却器的流速，正向供水切换为反向供水。该策略能够有效控制空冷器缺陷扩大。
（2）冷却器更换方案，冷却管材料更换为不锈钢316L材质。采用胀焊工艺加焊后热处理代替胀接工艺，采用1.0毫米对不锈钢管优化0.8毫米的紫铜管。从入场时开始，以后每次B级以上的检修，测量冷却管胀接口内径，监测胀接口壁厚减薄。该方案能够有效解决空冷器胀接口渗漏问题。
【參考文献】
[1]李富华，项军，杜威，张蕾，张建平，唐娜.换热器结垢与除垢的研究进展[J].盐科学与化工，2017，4606：22-25.
