49―2反应堆主热交换器清洗方法改进

摘要：阐述了49-2反应堆主换热器清洗方法和工艺的改进，包括专门研制的机械除垢工具、新增加的工艺和新采用的技术。并阐述了通过计算换热器传热系数的结果作为判断换热器换热能力依据的方法。

关键词：换热器清洗 除垢工具 传热系数

1主换热器简介

49-2反应堆一次水冷却系统包含两台不锈钢材质的固定管板列管式结构换热器，卧式平放于一次水回路间。反应堆运行时，一次水导出堆芯产生的热量，通过主换热器把热量传递给二次水，以此循环往复换热，实现堆芯的持续冷却。

两台主换热器编号分别为“甲”、“乙”。甲有1224根传热管，乙有1054根传热管，传热管型号一致，均为外径22mm、壁厚2mm、长3m的不锈钢管。运行时，一次水在传热管外侧（壳程）运行，二次冷却水在传热管内（管程）运行。

一次水系统属于封闭式循环冷却系统，循环时水量损失很少，冷却水使用的是电导率始终小于2μs/cm的去离子水，因此换热器壳程不结垢。

二次水系统属于敞开式循环冷却系统，二次水的冷却是通过机械通风冷却塔来进行的。在冷却塔内，冷却水与空气发生蒸发传热和接触传热，冷却水不断蒸发掉时，导致水中各种矿物质和离子含量不断被浓缩增加，在换热塔和换热器的传热部分产生沉积现象。

主换热器需要进行定期清洗，就是因为换热器管程产生了严重的污垢沉积现象，降低了传热能力。

2沉积物分析

为了有针对性制定换热器清洗方法，需要认清沉积物对换热器传热能力的危害，了解二次冷却水的结垢倾向，并认清沉积物的组成成分、每年的沉积量，和如何判断换热器清洗完成后的清洗效果。为此分别对以上几点进行了研究。

2.1沉积物危害

敞开式循环冷却系统在运行过程中，传热管内壁金属表面上会产生沉积物的聚积。49-2反应堆两台主换热器传热管的材质是321不锈钢，这种材料的导热系数为23.26W/（m・K）；传热管内最主要的两种沉积物，碳酸盐垢和泥污的导热系数分别为0.464～0.697W/（m・K）和0.117W/（m・K），分别仅为321不锈钢导热系数的3%和0.5%左右。因此传热管内附着的沉积物将大大降低换热器的传热能力。

沉积物还会使换热器中冷却水通道的截面变小，从而导致冷却水的流量降低，使换热器的换热能力进一步降低。

沉积物覆盖于传热管表面，为金属材料的垢下腐蚀创造了充分条件，垢下腐蚀会使传热管产生点腐蚀或穿孔腐蚀，这种情况一旦发生会导致一次冷却水泄漏。

为了提高换热器的传热能力，防止设备金属材料腐蚀，因此要对主换热器的管程进行定期清洗。

2.2沉积物来源

传热管内沉积物的来源大致有以下几种：

由补充水带入的无机盐类，由以下两种原因，在冷却水中析出而附着在传热管表面而形成水垢：运行过程中，冷却水被蒸发浓缩，使一些无机盐的浓度超过其溶解度，并在传热管表面上析出无机盐垢。例如，硫酸钙垢、硅酸镁垢等；冷却水中含有碳酸氢钙，在经过传热管壁时受热分解，放出二氧化碳，生成溶解度很小的碳酸钙垢。

补充水带入的固体悬浮物在冷却水运行到传热管时，由于流速降慢而沉降为淤泥。

补充水或空气中带入的微生物在冷却水中繁殖后形成的微生物黏泥。

2.3沉积物分类

沉积在换热器传热管表面的物质统称为沉积物，它们主要是由水垢、淤泥、腐蚀产物和生物沉积物构成。

水垢：二次水系统使用的是未经处理过的自来水，其水中溶解有大量不稳定的碳酸氢钙，容易分解生成碳酸钙。碳酸钙属于微溶性盐，它的溶解度比碳酸氢钙要小的多。0℃时，碳酸氢钙的溶解度是2630mg/L，而碳酸钙的溶解度只有20 mg/L。另外，碳酸钙的溶解度与一般盐类不同，它不是随着温度的升高而升高，而是随着温度的升高而降低。因此，在换热器传热管内部，碳酸钙很容易达到过饱和状态，从水中析出，并因传热管内流速变慢，从而沉积在传热管表面。

换热器传热管表面上形成的水垢以碳酸钙为主，这类水垢结晶致密，不易被水流冲刷掉。

污垢：污垢是淤泥、腐蚀产物和生物沉淀物的统称，它体积较大，质地疏松，在传热管表面粘附不紧，容易清洗。但在运行中，污垢和水垢一样，同样会影响换热器的传热效率，还有可能堵塞传热管。

2.4换热器总传热系数计算

换热器传热能力的大小，可以用换热器的总传热系数表示。换热器中，热流体（一次冷却水）在传热管外流动放出热量，温度由T1下降到T2；冷却水（二次冷却水）在传热管内流动吸收热量，温度由tin上升到tout。传热系数K数值上等于冷、热流体间温差t=1℃、传热面积A=1m2时的热流量的值。传热系数越大，单位面积的传热能力就越强，反之则越弱。它的计算方式为：

K=Rcptout-tinπdlnT1-tout+T2-tin2。式中F：换热器的传热面积，如传热管内径（水侧）为d，有效传热长度为l，共有n根，则F=πdln，m2；R：单位时间内冷却水的流量，kg/s；cp：水的比热容，4.2×103J/kg・K；tin、tout：冷却水进、出换热器的温度，K；K：总传热系数，W/（m2・K）。

3.硝酸清洗方法

从70年代起，49-2反应堆开始采用化学清洗方法清洗换热器。化学清洗剂采用的是稀硝酸，稀硝酸清洗液可以去除传热管内的碳酸盐水垢。

清洗时，硝酸与水垢发生化学反应，生成易溶于水的钙、镁硝酸盐而把水垢清洗掉，其反应式如下：CaCO3+2HNO3 Ca（NO3）2+CO2+H2O；MgCO3+2HNO3 Mg（NO3）2+CO2+H2O。

硝酸清洗方法具有与水垢反应快、生成的硝酸盐在水中的溶解度大、操作简单和水垢清除完全的优点。但这种方法也具有如下缺点：

水垢清除效率低：当换热器传热管被污垢完全堵塞后，清洗液就无法或需要很长时间才能流通过整个传热管，造成换热器清洗不彻底。

清洗过程危险：在稀释硝酸过程中，会挥发出大量含酸气体，污染工作场所环境，严重危害工作人员呼吸系统健康；并且稀释过程中，会产生硝酸液体飞溅，操作危险不安全。

浪费化学药剂：清洗完成后的废酸液，仍含有较高的酸性，无法直接排放，需用额外的弱碱进行中和，操作繁琐，增大了工作量。

4新清洗方法

针对硝酸清洗方法的缺点，设计了新的针对49-2反应堆主换热器的清洗方法。

4.1改进点

新清洗方法增加了清洗步骤，并同时选择了新的酸洗剂。改进后的清洗工艺流程如图1所示。

采用新方法清洗换热器时，先用清水冲洗一遍全部传热管，然后用研制的专用工具对传热管内壁进行物理清洗，使每一根传热管都没有堵塞完全通畅，物理清洗完毕后用新的酸洗剂对换热器进行化学清洗，之后用水冲洗完传热管内残存的酸洗液后，为了防止传热管清洗后出现腐蚀生锈的情况，用钝化剂对传热管进行钝化处理，将化学清洗废液和钝化废液中和处理完达标排放后，用水最后冲洗一遍换热器，清洗工作完成。

4.2物理清洗方法

物理清洗方法是指用专门研制的机械除垢工具疏通传热管内堵塞的淤泥和水垢的方法。为了获得良好的物理清洗效果，并且考虑到厂房的实际操作情况，决定研制适合49-2反应堆自身清洗特点的物理清洗工具。

机械除垢工具由三部分组成：第一部分为可调速电锤，第二部分为长4.6m、直径为16mm的螺纹钢，第三部分为经过加工改进后的直径为14mm的低硬度钻头。制作此工具时，首先将钻头两侧副刃带磨掉，并将钻头从中间截断，然后分别将钻头的两段焊接到螺纹钢的两端，加工成钻杆，使用钻杆时，只要将钻杆的尾部安装进电锤即可。

清理传热管时，将电锤速度调为最低档，运行方式选择为锤加钻档，将前方钻头深入到传热管内的堵塞部分，然后用外部水源不间断的向该根传热管内部进行冲水，之后开启电锤，让电锤向前移动，直至传热管堵塞部分被全部打通。

电锤工作时选择锤加钻档，锤的作用使钻杆产生纵向运动，用于打穿传热管内的淤泥和软垢；钻的作用使钻杆产生缓慢的匀速转动，利用钻头排屑槽和螺纹钢本身的螺纹，再加上向传热管内不断的冲水，可以使淤泥和软垢在脱落后，附着在钻杆的外部槽内，通过旋转不断的排出管外，使管内堵塞物不断减少。通过实践证明，使用该工具可以非常容易打通被堵塞的传热管。

不损伤传热管是清洗换热器的首要要求。通过以下分析可以证明使用机械除垢工具时不会对传热管造成损伤。钻杆对传热管可能造成的损伤，主要来源于钻头部分和螺纹钢部分。加工时选择直径小于螺纹钢直径的低硬度钻头，并将其两侧副刃带全部磨掉，没有副刃带的钻头在清理传热管时，无法对管子内壁形成切削，并且其直径小于螺纹钢直径，在清洗时，钻头是无法接触到传热管内壁的，它只能向前打通堵塞部分，无法损伤传热管；螺纹钢直径小于管子内径2mm，它和管子之间有垢层，无法直接摩擦到管子内壁，并且因为传热管为不锈钢材质，其硬度要大于螺纹钢材质的硬度，所以在两者发生摩擦时，也只会磨损螺纹钢表面，其也是无法对传热管内壁造成损伤的。

4.3化学清洗方法

新化学清洗方法是使用氨基磺酸对两台串连的换热器进行循环清洗。新清洗剂采用氨基磺酸加缓蚀剂的混合溶液。氨基磺酸是一种固体清洗剂，具有低毒、无味、不吸湿、不挥发、污染性小以及对金属腐蚀性小、不产生氢脆等许多优点。相对于硝酸，清洗效果不变，但减少了对操作人员的危害。

氨基磺酸清洗液是由氨基磺酸、缓蚀剂、表面活性剂和水组成。清洗液呈酸性，与碳酸盐、金属的氧化物反应，生成可溶性盐类，从而去除水垢和其它沉积物。

氨基磺酸清洗水垢时发生化学反应式为：CaCO3+2NH2SO3HCa（NH2SO3）2+H2O+CO2；MgCO3+2NH2SO3HMg（NH2SO3）2+H2O+CO2。

氨基磺酸清洗液对碳酸盐、磷酸盐等物质的溶解能力强，清洗效果好；同时对不锈钢材料的腐蚀速率低。对比硝酸清洗液，氨基磺酸清洗液的最大优点还是安全。

4.4钝化

为了防止传热管内壁在化学清洗后，出现金属腐蚀生锈的情况，在化学清洗结束后增加了钝化传热管的步骤。用1%的碳酸钠和0.5%的硝酸钠配置钝化溶液，将水温保持在35℃左右，将钝化液泵入到换热器内，浸泡5小时左右，即可完成钝化过程。

钝化废液为碱性废液，钝化后，可将化学清洗后的酸性废液与钝化废液进行中和反应处理，使中和后的废液pH值达到6～8之间，即可将废液排放处理。

5清洗效果

每次清洗完换热器后，通过计算总传热系数，可以看出换热器清洗的效果。表1列出的是近四年清洗完换热器后，计算出的总传热系数。

从图2中可以看出，2015年使用新清洗方法后，总传热系数有了显著增长：与2014年相比，2015年提高了约54%，2016年则提高了约78%。说明清洗换热器时，先用物理清洗方法将堵塞的传热管全部打通，再用化学清洗剂清洗，可以大大提高换热器的清洗效果。

6总结

49-2反应堆正常的运行，需要定期对换热器管程进行清洗。原先使用的清洗方法为单一的硝酸清洗法，这种方法具有清洗效率低、危害工作人员健康和污染周围环境的缺点。针对这些缺点改进设计出的新清洗方法，改变了原有清洗工序，增加了新的清洗工艺，并自创出适合49-2反应堆换热器自身特点的清洗工具，也选用了新型低害清洗剂。使用新方法清洗换热器，不但大大提高了换热器的清洗效果，还减少了清洗过程中对工作人员和环境的危害。这些改进体现出了新清洗方法的优势，达到了设计目的，在清洗成本和时间没有增加的情况下，大大提高了换热器的清洗效果。

新清洗方法为清洗换热设备提供了一种新的清洗思路，即化学清洗方法结合物理清洗方法的综合清洗。常用的化学清洗方法具有清洗沉积物集中处或堵塞处效果差的缺点，而在进行化学清洗前，先用物理清洗方法将沉积物去除一部分，从而使化学清洗剂可以接触到之前无法接触到的沉积物，从而完成彻底清洗，这种综合清洗将大大提高清洗换热设备的效果。

参考文献：

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