朱宏超，賈斌斌，關(guān)銀柏，彭舒舒，曹文勇

(蘇州熱工研究院，江蘇 蘇州 215004)

2017年7月，某核電廠設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(以下簡稱RRI)海水換熱器壓差過高，對其進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)海水側(cè)換熱面存在附著物。換熱面結(jié)垢，將導(dǎo)致總傳熱系數(shù)下降，影響設(shè)備可靠性，嚴(yán)重時造成設(shè)備的停運并影響電廠核安全。本文對RRI換熱器的結(jié)垢產(chǎn)物進(jìn)行檢測，分析其結(jié)垢機(jī)理，并提出針對性的處理措施。

1 結(jié)垢產(chǎn)物檢測

某核電廠RRI換熱器海水側(cè)鈦板內(nèi)壁，均勻分布呈棕褐色的附著物，如圖1所示。通過采用TESCAN VEGA TS5136XM掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀(XRD)和紅外光譜等分析方法對附著物進(jìn)行EDS元素半定量分析與物相分析，以輔助分析結(jié)垢產(chǎn)物形成原因。

圖1 RRI換熱器鈦板內(nèi)壁附著物宏觀形貌Fig.1 RRI macroscopic morphology of attachments on inner wall of titanium plate of heat exchanger

1.1 EDS分析

能譜分析結(jié)果如圖2所示。該附著物富含Mn、O、Si、Al元素，同時含有少量Cl、Na、Mg、K、Ca等元素，未檢測出Ti和Fe元素。能譜結(jié)果表明棕褐色附著物并非換熱器鈦板的腐蝕產(chǎn)物。

圖2 EDS分析結(jié)果Fig.2 EDS analysis results

1.2 XRD分析

XRD分析結(jié)果如圖3所示。該附著物無特征衍射峰，表明其晶體特征性較弱，結(jié)晶極差，近似非晶質(zhì)。

圖3 XRD分析結(jié)果Fig.3 XRD analysis results

1.3 紅外光譜分析

紅外光譜分析結(jié)果如圖4所示。該附著物的峰形主要跟某些硅酸鹽相匹配，無有機(jī)物吸收峰。

圖4 紅外光譜分析結(jié)果Fig.4 Infrared spectroscopy results

1.4 小 結(jié)

通過上述試驗分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)垢產(chǎn)物為某種金屬化合物，非換熱器鈦板腐蝕產(chǎn)物，主要含有金屬元素為Mn、Fe、Al、Mg、Ca等，其中以Mn為主，且有機(jī)物含量較低。

2 結(jié)垢機(jī)理分析

2.1 錳氧化微生物作用產(chǎn)生

由于RRI換熱器冷端介質(zhì)為海水，而海水中含有很多微生物，該結(jié)垢產(chǎn)物可能由海水中微生物的作用產(chǎn)生。海水中含有一種錳氧化微生物，存在于土壤、淡水、污泥沉積物等環(huán)境，能將海水中可溶性的Mn2+氧化成不溶性的錳氧化物(主要是Mn(III)和Mn(IV))沉淀[1-2]，該氧化物稱為生物錳氧化物。生物錳氧化物具有很高的吸附能力，且能氧化眾多的有機(jī)組分[2]。該附著物可能是錳氧化微生物、生物錳氧化物等物質(zhì)沉積到鈦板內(nèi)壁產(chǎn)生。但是紅外光譜分析結(jié)果顯示，其結(jié)構(gòu)主要與硅酸鹽的結(jié)構(gòu)相匹配，有機(jī)物或其他無機(jī)鹽類信號很差，無法判定。說明該結(jié)垢產(chǎn)物為生物錳氧化物可能性較低。

2.2 海水中Mn元素吸附產(chǎn)生

由該核電廠海域海水水質(zhì)分析報告知，該海域海水中Mn、Si元素含量很低，其中Mn元素濃度僅為0.0001 mg/L，如表1所示。

表1 海水水質(zhì)分析報告Table 1 Seawater quality analysis report (mg/L)

文獻(xiàn)[3]指出，當(dāng)海水pH值為7.5～8.5時，海水中錳在玻璃體上有較強(qiáng)的吸附作用，且pH在此區(qū)間內(nèi)隨pH的升高，吸附程度增大。RRI冷端水質(zhì)pH為7.95，與該文獻(xiàn)中Mn強(qiáng)吸附玻璃體時的pH近似，因此該結(jié)垢可能是海水中的Mn不斷沉積到鈦板表面造成，但海水中的Mn元素是否在該鈦板表面也有類似在玻璃體的吸附作用還有待驗證。即使Mn元素在鈦板上同樣有類似吸附作用，但該核電廠海水水質(zhì)中Mn元素含量并不高，而該附著物含很高的Mn元素，從這一方面來看，該結(jié)垢產(chǎn)物是由海水中的Mn不斷吸附造成的可能性不大。

2.3 海水自身含有的硅酸鹽沉積產(chǎn)生

郭世勤和郭立鶴[4]提到一種含Mn、Si的非晶質(zhì)礦物，呈紅褐色，對其進(jìn)行化學(xué)成分分析、紅外光譜分析、差熱分析、XRD分析等，發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)富含Si、Mn，含有少量Al、Mg、Ca、Fe，無衍射峰，推斷其為一種無定形的含錳鋁硅酸鹽相。上述試驗表明該附著物很可能為類似的一種非晶質(zhì)礦物。

2.4 小 結(jié)

通過對換熱器可能的結(jié)垢機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)合EDS、XRD和紅外光譜的檢測結(jié)果，結(jié)垢產(chǎn)物最大的可能性是一種非晶質(zhì)礦物在海水側(cè)進(jìn)行沉積導(dǎo)致，如表2所示。換熱管和鈦板的形狀復(fù)雜，流速相對平緩，為礦物質(zhì)的沉積提供了有利條件。

3 選擇合理的除垢措施

換熱管的結(jié)垢，將降低換熱功率、改變換熱管內(nèi)部的工況，嚴(yán)重影響設(shè)備正常運行，所以應(yīng)根據(jù)實際情況，選取合理的除垢措施，盡快恢復(fù)設(shè)備正常性能狀態(tài)。當(dāng)結(jié)垢層在5 mm以下，可以單靠化學(xué)處理來完成，而當(dāng)結(jié)垢層達(dá)到5 mm以上，則不論何種垢層，都需要物理方法與化學(xué)方法配合使用[5]。

3.1 人工清洗

人工清洗是成本最低，實施最為簡單的清洗方法，在工期有保證，設(shè)備可以解體的情況下建議選擇。但是人工清洗對板片可能有劃傷，并且劃傷部位更容易掛垢，存在一定的安全隱患和事故風(fēng)險。

3.2 噴射清洗

噴射清洗是利用流體以一定速率噴向污垢表面，使污垢從換熱面脫落。板式換熱器需要解體進(jìn)行處理，對于管式換熱器直管有良好效果，彎管部位效果較差。噴射清洗處理時間較長，費用較高。在核電廠停堆大修期間，受限于時間窗口，噴射清洗存在一定的局限性。

3.3 化學(xué)清洗

在流體中加入除垢劑、酸、堿等，通過降低污垢與換熱面的結(jié)合力，使其從換熱面脫落?；瘜W(xué)清洗可以在現(xiàn)場完成，清洗較為徹底，避免機(jī)械清洗對換熱面的機(jī)械損傷，無需解體檢查。在進(jìn)行化學(xué)清洗后需進(jìn)行壓力試驗，滿足要求后方可使用，在換熱管完全堵塞的情況下無法應(yīng)用化學(xué)清洗，對清洗液處理不當(dāng)會造成環(huán)境污染。

3.4 在線清洗

設(shè)備運行期間，依靠膠球等在管內(nèi)的運動，與管壁接觸達(dá)到去除污垢的效果。例如：核電廠凝汽器采用膠球在換熱管內(nèi)循環(huán)，大大減少鈦管內(nèi)壁污垢的累積并節(jié)約維修費用。而凝汽器在線清洗系統(tǒng)需要維護(hù)，存在膠球遺失、堵塞傳熱管等現(xiàn)象存在，類似的系統(tǒng)在電廠應(yīng)用較少，成本及維護(hù)是主要因素。

3.5 超聲波清洗

液體在超聲波的作用下發(fā)生空化效應(yīng)，使污垢分散、粉碎、脫落不易在內(nèi)壁上形成積垢。超聲波除垢實現(xiàn)了在線抑垢和除垢，操作簡單對環(huán)境無污染。但其抑垢和除垢作用會隨介質(zhì)的流動方向改變從而減弱，且需要安裝超聲波發(fā)生器、轉(zhuǎn)換器等設(shè)備，成本較高。

4 結(jié) 語

EDS、XRD等試驗結(jié)果和上文分析表明，換熱器結(jié)垢產(chǎn)物是一種富含Mn、Si等非晶質(zhì)礦物，其結(jié)垢原因是海水自身含有的硅酸鹽沉積。作為核電廠的重要設(shè)備，海水系統(tǒng)換熱器換熱部件表面結(jié)垢，將導(dǎo)致總傳熱系數(shù)下降，影響設(shè)備可靠性，甚至造成設(shè)備的停運，影響電廠安全運行。因此，建議核電廠對海水系統(tǒng)換熱器開展專項管理，定期對換熱器進(jìn)行檢查，根據(jù)換熱器效率曲線、型號、設(shè)備結(jié)構(gòu)等選擇合適清洗方法適時對污垢進(jìn)行清理。