核電廠循環(huán)水系統(tǒng)二次濾網(wǎng)網(wǎng)板失效分析與改進

崔甫超 趙興保 戴猛 鄭德旭

福建福清核電有限公司 福建福清 350318

1 概述

核電廠循環(huán)水系統(tǒng)二次濾網(wǎng)是用于除去凝汽器循環(huán)水側(cè)涵道中的海生物以及渣屑，在運行過程中，利用凝汽器系統(tǒng)本身壓差和水流的反向流動來沖洗網(wǎng)芯表面的附著物，并通過排污管道排除垃圾雜物。某電廠M310二代改進型壓水堆核電機組在實施二次濾網(wǎng)檢修時發(fā)現(xiàn)二次濾網(wǎng)的部分網(wǎng)板破裂，且未發(fā)現(xiàn)網(wǎng)板處存在異物。

本文通過對二次濾網(wǎng)網(wǎng)板失效進行設(shè)計調(diào)查和失效調(diào)查，開展一系列測試及分析，給出綜合分析結(jié)果及失效原因，并針對性給出改進建議，以保證核電廠二次濾網(wǎng)的安全可靠性[1]。

2 失效調(diào)查

2.1 設(shè)計調(diào)查

某核電站機組共有四臺二次濾網(wǎng)，每臺二次濾網(wǎng)由濾水機構(gòu)、排污機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、控制單元、操作單元、保護裝置、犧牲陽極保護裝置七部分組成。二次濾網(wǎng)濾水機構(gòu)主要由筒體、濾芯（多單元隔倉式）、進出水室、法蘭等部件組成，其中濾芯包含16片可更換的網(wǎng)板。

二次濾網(wǎng)的網(wǎng)板如圖1所示，是圓弧臺型濾網(wǎng)，由2mm厚的板材經(jīng)加工網(wǎng)孔及螺栓孔后，再由成型工裝進行一次彎曲成型而成。網(wǎng)板兩側(cè)有22個螺栓孔，設(shè)備通過螺栓孔方便的安裝和拆卸網(wǎng)板，同時在每個網(wǎng)板的背水面布置兩個2個弧形撐桿，弧形撐桿如圖2所示。

圖1 二次濾網(wǎng)網(wǎng)板示意圖

圖2 弧形支撐

2.2 失效調(diào)查

圖3為網(wǎng)板開裂圖，網(wǎng)板右邊緣和網(wǎng)孔區(qū)從網(wǎng)板尾部開始裂開，直至網(wǎng)板頭部第二顆螺栓孔和第三顆螺栓孔之間，未完全裂開。在這條開裂線上還存在兩個次要裂紋，這兩條開裂線與主裂紋線垂直，分別離尾部約32cm和71cm，位于網(wǎng)板背水面弧形撐桿處，同時該網(wǎng)板的開孔區(qū)的一部分已經(jīng)從網(wǎng)板上脫離。

3 測試及分析

通過體視觀察、成分分析、金相檢驗、非金屬夾雜檢測、拉伸試驗及應(yīng)力分析對失效的網(wǎng)片進行分析。

3.1 體視觀察

使用蔡司體視顯微鏡對網(wǎng)板開孔位置進行觀察，可以明顯觀察到網(wǎng)孔圓周區(qū)域有飛邊、毛刺以及細小缺口，網(wǎng)孔內(nèi)表面有明顯的工痕跡，劃痕沿著網(wǎng)孔法線方向，如圖4所示。

圖3 濾網(wǎng)開裂

圖4 開孔及孔內(nèi)側(cè)體視觀察

為便于觀察，將網(wǎng)板分割成小塊，對分割后的網(wǎng)板進行編號，如圖5所示，分別對各樣品斷口表面進行觀察。

圖5 網(wǎng)板切割樣品編號

使用蔡司體視顯微鏡對301#樣本網(wǎng)板尾部斷口進行宏觀檢驗，如圖6所示。斷口表面有明顯可以觀察到多條分布規(guī)律的疲勞弧線，疲勞弧線的曲率中心點位于斷口左上角，根據(jù)疲勞弧線可以判斷該區(qū)域所遭受的交變載荷垂直于疲勞弧線，而根據(jù)該部分的結(jié)構(gòu)可知，該疲勞開裂是網(wǎng)板背水面受到的交變載荷和網(wǎng)孔內(nèi)表面受到的交變載荷共同作用的。

表1 旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)網(wǎng)板化學(xué)成分（直讀光譜儀SPECTROLABLAVM11）

圖6 301#樣尾部斷口形貌

將尾部斷口左上方區(qū)域放大觀察，可觀察到一個明顯表面缺陷，如圖7所示，根據(jù)疲勞弧線的分布，可推斷出該表面缺陷區(qū)域為疲勞源區(qū)，這個表面缺陷可能是網(wǎng)板在進行加工時造成的。將尾部斷口右側(cè)區(qū)域放大觀察，可以觀察到該區(qū)域表面呈現(xiàn)粗糙的晶粒狀脆斷，如圖8所示，可推斷出該區(qū)域為瞬斷區(qū)。

圖7 301#樣尾部斷口裂紋源

圖8 301#樣尾部斷口瞬斷區(qū)

使用蔡司體視顯微鏡對多處孔橋斷口進行觀察，斷口上方是背水面，下方是迎水面，左側(cè)朝向網(wǎng)板頭部方向，右側(cè)朝向網(wǎng)板尾部方向，如圖9所示。圖中三個孔橋斷口形貌特征一致，斷口面上方區(qū)域斷面齊整，下方為瞬斷區(qū)。

圖9 301#樣孔橋斷口形貌

觀察到302#多處孔橋出現(xiàn)裂紋，如圖10中圓圈位置所示。取圖中方框位置的網(wǎng)孔進行體視觀察，放大圖10方框，如圖11所示。在圖中標識出分割的樣品的位置，并使用箭頭標識出觀察孔橋斷口和網(wǎng)孔內(nèi)表面的視角。

圖10 302#網(wǎng)孔孔橋裂紋形貌

圖11 302#孔橋裂紋觀察視角示意圖

圖12為孔橋斷口的形貌，從圖中可以看出斷口粗糙，斷口左上角光亮，斷面上有較多裂紋，其中一條大裂紋擴展到網(wǎng)孔內(nèi)表面上。在圖13為網(wǎng)孔內(nèi)表面形貌，內(nèi)表面上存在一條幾乎貫穿網(wǎng)板厚度方向的裂紋。

圖12中的孔橋斷口區(qū)域?qū)?yīng)在網(wǎng)板弧形撐桿的位置，根據(jù)斷口形貌，分析認為，當該區(qū)域的網(wǎng)板在失去一側(cè)的約束后，在海水的正向（網(wǎng)板在弧形撐桿的支撐作用下，位移被約束）和反向的沖擊下，發(fā)生塑性變形，最終開裂。

3.2 成分分析

使用直讀光譜儀檢測樣品檢測旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)網(wǎng)板化學(xué)，檢測結(jié)果見表1。

廠家設(shè)計文件中明確網(wǎng)板材料牌號為S32205，該材料是22%鉻雙相(奧氏體/鐵素體)鋼，具有耐受抗氯化物環(huán)境和硫化物應(yīng)力腐蝕的能力，強度大約是標準奧氏體不銹鋼強度的兩倍。經(jīng)核查，該網(wǎng)板材料成分滿足標準要求。

3.3 金相檢驗

選取網(wǎng)板301#樣進行金相制樣，樣品為網(wǎng)板基體，對網(wǎng)板截面進行侵蝕，以顯示金屬的顯微組織，檢驗標準為GB/T13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》[2]。

圖12 視角1斷口形貌

圖13 視角2網(wǎng)孔內(nèi)表面形貌

金相檢驗結(jié)果顯示該材料為奧氏體組織與鐵素體組織，鐵素體和奧氏體相各約占50%。

3.4 拉伸試驗

取網(wǎng)板301#樣制樣，進行拉伸試驗。本試驗所參照的標準為GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第一部分：室溫拉伸方法》，檢測結(jié)果如表2所示。查詢S32205牌號材料的相關(guān)標準，可知本樣品的拉伸性能滿足標準要求。

表2 旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)網(wǎng)板拉伸試驗結(jié)果

3.5 受力分析

（1）網(wǎng)板受力分析。二次濾網(wǎng)的網(wǎng)板受力十分復(fù)雜，不同的工況下受力不一樣，例如核電機組發(fā)電功率不同時，凝汽器對冷源的需求不同，即循環(huán)水管道中的流量、壓力不同；二次濾網(wǎng)被堵塞時，網(wǎng)板前后的壓差不一樣；二次濾網(wǎng)旋轉(zhuǎn)以及對網(wǎng)板進行反沖洗時，網(wǎng)板前后的壓差也不一樣。因此網(wǎng)板的受力十分復(fù)雜。

通過有限元分析計算網(wǎng)板的應(yīng)力分布，如圖14、圖15、圖16所示。因網(wǎng)板是對稱的，為便于觀察，圖中只顯示一半的網(wǎng)片。從圖中可以看出，不同的壓差下，網(wǎng)片上的應(yīng)力分布規(guī)律一致。同時根據(jù)計算結(jié)果可知，在最大的濾網(wǎng)壓差（86kPa）下，網(wǎng)板應(yīng)力極值也遠小于材料的屈服強度。

圖14 應(yīng)力分布圖10kPa

圖15 應(yīng)力分布圖45kPa

圖16 應(yīng)力分布圖86kPa

（2）網(wǎng)片應(yīng)力計算。使用workbench靜力學(xué)分析模塊進行求解網(wǎng)板上的應(yīng)力分布，考慮到二次濾網(wǎng)中網(wǎng)板的周期性，僅對一片網(wǎng)板進行分析，通過測繪網(wǎng)板獲得網(wǎng)板主要幾何尺寸，并在三維軟件中建立網(wǎng)板幾何模型。

根據(jù)二次濾網(wǎng)的運行手冊：

根據(jù)日常參數(shù)記錄，濾網(wǎng)清潔壓差為10±3kpa；

二次濾網(wǎng)前后壓差達到45kPa，則判斷二次濾網(wǎng)網(wǎng)片已被雜物輕微堵塞；

二次濾網(wǎng)前后壓差達到86kPa，則判斷二次濾網(wǎng)網(wǎng)片已被堵塞。

故在求解時，分別對網(wǎng)板的迎水面施加10kPa、45kPa和86kPa的壓力，同時對網(wǎng)板的22個螺栓孔施加固定約束。

根據(jù)求解的應(yīng)力分布圖可知，該網(wǎng)板上的最大應(yīng)力點位于螺栓孔上，而螺栓孔所在的網(wǎng)片邊緣是通過22個螺栓固定在二次濾網(wǎng)的支撐桿上，該區(qū)域受到的交變載荷很小或者忽略不計。根據(jù)計算，對于網(wǎng)孔區(qū)域，最大的應(yīng)力值出現(xiàn)在網(wǎng)板尾部的網(wǎng)孔區(qū)與網(wǎng)板邊緣的交界面上。提取分界線的孔橋上的應(yīng)力值，可以看出，隨著網(wǎng)板迎水面上施加的壓力值變大，分界線上的孔橋表面應(yīng)力值也隨之增大[3]。

4 綜合分析

4.1 分析結(jié)果

（1）材質(zhì)檢驗。對網(wǎng)板進行了成分分析、金相檢驗以及拉伸試驗，結(jié)果表明，二次濾網(wǎng)網(wǎng)板材質(zhì)化學(xué)成分和拉伸性能符合SS32205相應(yīng)標準的規(guī)定，材料金相組織符合雙相不銹鋼的金相組織特性。

（2）網(wǎng)板開裂機理分析。體視觀察網(wǎng)板尾部邊緣斷口及孔橋斷口處的宏觀形貌，在網(wǎng)板尾部邊緣斷口上有疲勞弧線，在孔橋斷口表面能觀察到疲勞源區(qū)和瞬斷區(qū)，可以判斷網(wǎng)板尾部邊緣為疲勞斷裂。

對于開裂網(wǎng)板，首先是網(wǎng)板尾部邊緣發(fā)生疲勞斷裂，從網(wǎng)板背水面上網(wǎng)孔圓周上應(yīng)力較大處開裂，向網(wǎng)板尾部以及網(wǎng)板迎水面發(fā)展，最終斷裂開。當網(wǎng)板尾部邊緣斷開后，開裂又沿著網(wǎng)板尾部向網(wǎng)板頭部的方向行進，直至網(wǎng)板頭部，在此過程中，網(wǎng)板的開孔區(qū)在網(wǎng)板弧形撐桿位置發(fā)生與主裂紋垂直的裂紋。使用有限元軟件對網(wǎng)板的應(yīng)力分布進行求解，印證體視觀察的結(jié)果。

4.2 失效原因

網(wǎng)板失效與網(wǎng)板設(shè)計、加工工藝都有一定關(guān)系，改進其中的一項或者多項可以避免網(wǎng)板發(fā)生開裂、降低開裂風(fēng)險或者即使發(fā)生開裂網(wǎng)板也能執(zhí)行期預(yù)定功能，具體失效原因如下：

（1）網(wǎng)孔加工工藝不佳，網(wǎng)孔邊緣飛邊、毛刺較多，存在細小缺陷，這些缺陷是潛在的起裂點；

（2）孔橋布置形式不合理，網(wǎng)板邊緣與開孔區(qū)的分界線幾乎為一條直線，一旦網(wǎng)板尾部邊緣發(fā)生開裂，很容易從網(wǎng)板尾部開裂至網(wǎng)板頭部；

（3）弧形撐桿布置不合理，且部分撐桿與網(wǎng)板間隙過大，未完全起到支撐作用。

5 結(jié)論及建議

基于以上失效分析原因，建議采取以下措施，避免或降低二次濾網(wǎng)失效分析的風(fēng)險：

（1）建議二次濾網(wǎng)供貨商在進行網(wǎng)板加工時，提高加工工藝，避免加工時留下飛邊、毛刺以及其它缺陷；

（2）合理設(shè)計弧形撐桿，根據(jù)圖2可知，弧形支撐與網(wǎng)板的背水面間距過大，對網(wǎng)板未起到支撐作用。另外，網(wǎng)板尾部區(qū)域存在較大的應(yīng)力，可以在網(wǎng)板尾部增加一個弧形支撐；

（3）建議廠家在制造網(wǎng)板時，合理設(shè)計開孔區(qū)域，如果將網(wǎng)板邊緣與開孔區(qū)的分界線設(shè)計成鋸齒狀，則可以有效降低分界線上的應(yīng)力值，且即使在網(wǎng)板尾部邊緣發(fā)生了開裂，也不會如直線分界線一樣，輕易從網(wǎng)板尾部開裂至網(wǎng)板頭部。