DE2329549C3 - Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung von Flüssigmetall-Wasser/Dampfwärmetauschern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren /ur Dichtigkeitsprüfung von Flüssigmetall-Wasser/Dampfwärmetauschern vor deren Inbetriebnahme, wie sie in mit Flüssigmetall, vorzugsweise mit Natrium gekühlten Kernenergieanlagen Verwendung finden. In derartigen Wärmetauschern kommt es bereits bei kleinen Lecks infolge der heftigen Reaktion zwischen Wasser bzw. Dampf und Natrium auch bei rechtzeitigem Ansprechen der Sicherheitsvorrichtungen zu Beschädigungen des Wärmetauschers durch die korrosive und erosive Wirkung der Reaktion bzw. ihrer Produkte, so daß mit langen Stillstandszeiten gekoppelte aufwendige Reparaturen und genaue Untersuchungen der Wärmetauscher auf Folgeschäden der Reaktion nötig werden. Darüber hinaus führt ein solcher Unfall zu Verunreinigungen der Wärmetauscher dutch die Reaktionsprodukte, was umständliche Reinigungsarbeitcn nötig macht.

Es ist bekannt, Flüssigmetall-Wasser/Dampfwärmetauscher vor der Inbetriebnahme entsprechend der im Kessel- und Behälterbau seit langem üblichen Methode dadurch auf Undichtigkeiten zu prüfen, daß der Warmetauscher bei Umgebungstemperatur mit Druckwasser beaufschlagt wird, wobei der Wasserdruck üblicherweise etwa das l,3fache des Auslegungsdruckes beträgt; die Auslegungsdrücke betragen bei Dampfanlügen zumeist 80 bis 200 bar je nach Verwendungszweck Diese Wasserdruckprobe selbst kann zur Bildung feinster Risse im Wärmetauscher führen, so daß es bekanntermaßen zweckmäßig ist. den Wärmetauscher anschließend einem Heliumlecktest zu unterziehen, indem der Wärmetauscher vorzugsweise wasserseitig mit Heliumgas gefüllt wird, das unter einem geringen Überdruck steht. Das Auftreten von Helium auf der anderen Seite des Wärmetauschers, das gaschromatographisch mit Hilfe heliumspezifischer Lecksucher nachgewiesen werden kann, soll Rückschlüsse auf die Unversehrtheit der Wärmetauscherflächen zulassen. Aus der DT-OS 20 59 370 ist ein Verfahren bekannt, das /ur Ortung von Wasscrdampf-Mikroleckagen bei bereits in Beirieb befindlichen Natrium/Wasser-Wärmetauschern dient. Dort wird vom Vorhandensein von Wasser in der AnIage ausgegangen und beim Auftreten von Leckagen (d. h., wenn bereits die oben geschilderte schädliche Reaktion im Gange ist) vorgeschlagen, den Druck auf der Dampfseitc fast auf denjenigen des Natriums .ib/.usenken, den Wasserdampf unter Umständen durch ein Incrtgas zu ersetzen und nacheinander jedes schadensverdächtige Rohr mit einem wasserstoffhalligLMi Fluid zu beaufschlagen; der auf der Natriumseite nachgewiesene Wasserstoff dient zur Ortung des schadhaften Rohres. Eine verbesserte Überprüfungsmöglichkeit für Natrium/Wasser-Wärmetauscher vor deren Inbetriebnahme wird in dieser Schrift nicht angegeben. In der DT-OS 15 73 799 wird zur Feststellung eines Locks in einem Wärmetauscher vorgesehlagen, diesen auf beiden Seiten mit je einem unterschiedlichen Gas zu füllen und das Gas aus den einzelnen Rohren abzusaugen, so daß eine durch Lecks verursachte Verunreinigung dieses Gases durch dasjenige außerhalb der Rohre festgestellt werden kann. Eine Untersuchung unter wirklichkeitsnahen Druck- und Temperaturbedingungen ist so nicht möglich. Darüber hinaus ist es bekannt. Wärmetauscher mit Hilfe von Röntgenstrahlen oder elektroinduktiven Meßgeräten auf das Vorhandensein von Rissen im Material zu untersuchen.

Die Betriebserfahrungen mit Flüssigmeiall-Wasser/Dampfwärmetauschern haben nun gezeigt, daß sich Schadensfälle vorzugsweise innerhalb der ersten tausend Betriebsstunden ereignet haben. Dies ist sicher zum größten Teil darauf zurückzuführen, daß vor der Inbetriebnahme vorhandene Fehler im Werkstoff irot/ der Anwendung der eben beschriebenen Prüfverfahren nicht entdeckt wurden. Die Ursachen hegen dann. daß die Prüfungen sämtlich bei Umgebungstemperatur erfolgen, so daß Fehler im Werkstoff, die erst bei den hohen Betriebstemperaturen (beispielswe se im Bereich von 700 bis 800 K) zu Undichtigkeiten (uhren, unenideckt bleiben. So können feinste Haarn>se sich unter dem Einfluß der Wärmedehnung derart lufweiten. daß ein Leck entsteht. Der an sich sehr emplindliche Hell umlecktest führt deshalb nicht zu dem erwünschten Er gcbnis. weil bei dem geringen Überdruck (in der Größenordnung von 2 bar), das bei der vorhergehenden Druckwasserprüfung in Risse eingedrui gene Wasser nicht mit Sicherheit verdrängt wird und keine durch Überdruck hervorgerufene Aufweiturig auftreten. Druckprüfungen mit einem Gas unter hohem Druck werden im Kessel- und Behälterbau kaum vorgenommen, da befürchtet wird, daß im Schadensfall durch die plötzlich frei werdende Energie des Druckgases zusätzliche Schaden hervorgerufen werden können. Gegenüber den bei einer Natrium-Wasser-Reaktion mit Sicherheil zu erwartenden Schaden sind erstcrc jedoch unei heblich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach ein Prüfverfahren für Flüssigmetall-Wasser/Dampfwärmetauscher vor deren Inbetriebnahme, das unter Bedingungen abläuft, die möglichst weitgehend den im späteren Betrieb zu erwartenden entsprechen, so daß die infolge von Werkstoff- oder Vcrarbeilungsfehlern im Wärmetauscher vorhandenen Undichtigkeiten mit Sicherheit erkannt werden können, und wobei die im Betrieb in einem solchen Fall zu erwartenden Beschädigungen des Wärmetauschers und sonstigen nachteiligen Folgeerscheinungen einer Natrium-Wasser-Reaktion vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Wärmetauscher vor Inbetriebnahme auf der Wasscr/Dampf-Seite ohne Wasser/Dampf aber mit einem Prüfgas unter Prüfdruck und auf der Flüssigmetall-Seite mit heißem Flüssigmetall beaufschlagt werden und daß die Schutzgasatmosphäre auf der Fliissigiiietallseite auf das Auftreten des auf der Wasser/Dampl-Seilc vorhandenen Prüfgases überwacht wird. Da eine solche Schutzgasatmosphäre, beispielsweise aus Argon, im Wärmetauscher selbst nicht vorhanden ist. hütte diese Überwachung in einem anderen Teil des Flüssigmetall-

kreislaufes zu erfolgen, beispielsweise in einem Ausgleichsbehälter. Das Auftreten des Prüfgases, beispielsweise von Stickstoff, in einer Argonatmosphäre läßt sich in bekannter Weise mit Hilfe eines 'Gaschromatographen nachweisen, wodurch ein hinweis auf vorhandene Undichtigkeiten gegeben wäre. Da das Flüssigmetall in solchen Wärmetauschern nur unter verhältnismäßig geringem Druck steht (beispielsweise 5 bis 10 bar), der erzeugte Dampf jedoch unter einem wesentlich höherem Druck (beispielsweise 80 bis 200 bar), wird beim Vorhandensein eines Lecks das an Stelle des Dampfes getretene Prüfgas in das Flüssigmetall übertreten, wobei die Wasser/Dampf-Seile des Wärmetauschers vor Verunreinigungen durch das Flüssigmetall bewahrt bleibt und das Material des Wärmetauschers keinen zusätzlichen Abtragungen unterliegt. Mit diesem Verfahren lassen sich die Betriebsbedingungen des Wärmetauschers, insbesondere seine thermische und mechanische Beanspruchung weitgehend naturgetreu nachahmen, mit Ausnahme des Wärmestroms durch die Wärmetauscherfläehen und der axialen Temperaturgradienten.

Selbstverständlich kann vor Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die übliche Wasserdruckprobe stattfinden. Das zur Druckprobe verwendete Wasser muß dann vor Beginn der erfindungsgemäßen Dichtigkeitsprüfung restlos aus dem Wärmetauscher entfernt werden.

In der Zeichnung ist als Beispiel schematisch eine typische Flüssigmetall-Wasser/Dampf-Wärmetauscheranlage dargestellt, und zwar der Sekundärkreislauf einer natriumgekühlten Kernenergieanlage.

Die Zeichnung zeigt einen nicht naher beschriebenen Zwischenwärmeiauscher 1, in dem das im nicht gezeigten Reaktor aufgeheizte Natrium eines Primärkreislaufes 2 seine Warme an das Natrium eines Sekundärkreislaufes 3 abgibt. Das Natrium im Sckundärkreislauf 3 wird mit Hilfe einer Pumpe 4 umgewäl/t. Zum Ausgleich von temperaturbcdingten Voiumenanderungen des Natriums im Sekundärkreislauf 3 ist ein Ausgleichsbehälter 5 vorgesehen, wobei die in der Pumpe 4 und im Ausgleichsbehälter 5 anstehenden freien Oberflächen 6 durch eine Schutzgasatmosphäre aus Argon abgedeckt sind. Das im Zwischenwärmetaui.cher I erhitzte Natrium des Sekundärkreislaufes 3 strömt zunächst in Überhitzer 7 und von dort in Verdampfer 8. In den Verdampfern 8 und den Überhitzern 7 wird das in einem tertiären Wasser/Dampf-Kreislauf zirkulierende Wasser verdampft, überhitzt und einer hier nicht dargestellten Verbrauchsstelle, beispielsweise einer Dampfturbine mit nachgeschaltetem Kondensator zugeführt. In üblicher Weise wird das in einem Abscheider 10 dem Dampf entzogene Wasser mit Hilfe einer weiteren Pumpe U erneut dem Wasserkreislauf 9 an seiner Eintrittsseite zugeführt. Die Überhitzer 7 und die Verdampfer 8 weisen grundsätzlich den gleichen Aufbau auf, wobei das in geraden, oder wie hier gezeichnet in gewendelten Rohren 12 aufsteigende Wasser des Tertiärkreislaufes 9 von dem heißen Natrium des Sekundärkreislaufes 3 umströmt, verdampft und schließlich überhitzt wird. Zur Vermeidung von heftigen Natrium-Wasser-Reaktionen müssen die Wärmetauscherrohre 12 völlig dicht sein.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Dichtigkeitsprüfung der Überhitzer 7 und Verdampfer 8 vor deren Inbetriebnahme wird ein Teil des Tertiärkreislaufes 9, der durch Armaturen 13 vom Rest des Kreislaufes getrennt werden kann, mit Stickstoff aus einem Behälter 14 gefüllt, wobei der Druck des Stickstoffes mindestens demjenigen des bei Normalbetrieb erzeugten Dampfes entspricht. Der Primärkreislauf 2 und der Sekundarkreislauf 3 werden dabei mit der im Normalbelrieb vorgesehenen Temperatur, wenn auch mit verminderter Leistung betrieben, da die Wärmeabfuhr über die Überhitzer 7 und Verdampfer 8 stark eingeschränkt ist. Von besonderem Vorteil ist dabei, daß die Dichtigkeitsprüfung keine zusätzliche Zeit beansprucht, vielmehr im Verlaufe der ohnehin erforderlichen Erprobung der Komponenten des Sekundärkreislaufes 3, beispielsweise der Pumpe 4 erfolgen kann. Bei vorhandenen Undichtigkeiten der Wärmetauscherrohre 12 wird bedingt durch das hohe Druckgefälle zwischen dem Stickstoff in dem Tertiüi kreislauf 9 und dem Natrium im Sekundarkreislauf 3, ersiercf in letzteres übertreten und nach kurzer Zeit in der Argonatmosphärc des Ausgleichsbehälters 5 nachzuweisen sein, und zwar mit Hilfe eines an diesen angeschlossenen Gaschromatographen 15. Um auch feinste Lecks in den Wärmetauscherrohren 12 feststellen zu können, ist es zweckmäßig, dem Stickstoff aus einem weiteren Behälter 16 geringe Mengen an Helium beizumischen, dessen Eindringen in den Nairiumkrcislauf ebenfalls mit Hilfe des Gaschromatographen 15 nachgewiesen werden kann. Ist auf diese Weise in dem Gesamtkomplex der Überhitzer 7 und Verdampfer 8 ein Leck nachgewiesen worden, wird zur Eingrenzung des Schadens dem Stickstoff-Helium-Gemisch aus einem weiteren Behälter 17 Wasserstoff beigemischt, der ebenfalls aus dem Tertiärkreislauf 9 in den Sekundarkreislauf 3 übertreten wird und für jeden Überhitzer 7 bzw. Verdampfer 8 einzeln mit Hilfe je eines bereits aus anderen Gründen vorhandenen Wasserstoffnachwcisgeräies 18 nachgewiesen werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung von Flüssigmetall-Wasser/Dampfwärmetauschern vor Inbe- ·.; triebnahme, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (7) und (8) vor Inbetriebnahme auf der Wasser/Dampf-Seite (9) ohne Wasser/Dampf aber mit einem Prüfgas unter Prüfdruck und auf der Flüssigmetall-Seite (3) mit heißem Flüssigmetall beaufschlagt werden und daß die Schutzgasatmosphäre auf der Flüssigmetall-Seite (3) auf das Auftreten des auf der Wasser/Dampf-Seite (9) vorhandenen Prüfgases überwacht wird.

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