百萬千瓦級核電廠海水循環(huán)系統(tǒng)某國產(chǎn)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片失效原因分析及可靠性提升

侯曉宇

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

凝汽器循環(huán)水冷卻系統(tǒng)主管道設置有筒型過濾器(以下簡稱二次濾網(wǎng))，二次濾網(wǎng)由濾水機構、排污機構、驅(qū)動機構、控制單元、操作單元、保護裝置、犧牲陽極保護七部分組成。二次濾網(wǎng)網(wǎng)片是過濾器濾水機構最重要的部件，在機組功率運行期間發(fā)生破損將形成異物，劃傷凝汽器鈦管風險較大，造成機組較大功率波動。

國產(chǎn)某型號二次濾網(wǎng)網(wǎng)片使用壽命較短，機組功率運行期間發(fā)生多起網(wǎng)片破損。經(jīng)調(diào)查，在相同的工藝系統(tǒng)條件下，國產(chǎn)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片使用壽命小于3年，遠低于國外進口網(wǎng)片。本研究通過對國產(chǎn)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片進行顯微鏡、光譜檢查和模擬分析，確認二次濾網(wǎng)網(wǎng)片壽命周期短的主要原因，并通過制定可靠性提升措施有效延長二次濾網(wǎng)網(wǎng)片的使用壽命，達到電廠降本增效的經(jīng)營需求。

1 網(wǎng)片失效調(diào)查

1.1 二次濾網(wǎng)及網(wǎng)片設計概述

(1)濾網(wǎng)技術參數(shù)

核電廠自動反洗循環(huán)水二次濾網(wǎng)采用臥式/立式布置于循環(huán)水主管道中，并與管道采用法蘭連接，用于過濾循環(huán)冷卻水，除去可能堵塞凝汽器管板及管子的雜物，從而改善運行條件，延長機組壽命。循環(huán)水系統(tǒng)進口壓力為0.3 MPa.g，設計循環(huán)水溫度為20 ℃，最高設計溫度為33 ℃。二次濾網(wǎng)本體主要設計技術參數(shù)如表1所示。

表1 二次濾網(wǎng)本體主要技術參數(shù)Toble 1 Technical parameters of secondary filter

(2)二次濾網(wǎng)設計結(jié)構

二次濾網(wǎng)本體主要結(jié)構如圖1所示，主要由筒體、網(wǎng)芯、排污機構構成，其中網(wǎng)芯為隔倉式布置，每個隔倉安裝有可拆卸式的弧形網(wǎng)片。

圖1 二次濾網(wǎng)外形圖Fig.1 Outline drawing of secondary filter

二次濾網(wǎng)網(wǎng)片如圖2所示，為圓弧型濾網(wǎng)，由厚度為2 mm的S32205材質(zhì)的板材經(jīng)過加工網(wǎng)孔及螺栓孔后再經(jīng)過成型工裝一次彎曲成型。網(wǎng)片兩側(cè)有22個螺栓孔，網(wǎng)片通過螺栓孔方便的安裝和拆卸，同時在每個網(wǎng)片的背水側(cè)布置2個弧形支撐板貼合并支撐網(wǎng)片。

二次濾網(wǎng)網(wǎng)片主要設計技術參數(shù)如表2所示。

(3)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片使用壽命說明

國內(nèi)某核電廠有4臺百萬千瓦級核電機組運行，其中2臺機組海水循環(huán)系統(tǒng)過濾器采用國外進口網(wǎng)片，2臺機組海水循環(huán)系統(tǒng)過濾器采用國產(chǎn)網(wǎng)片。經(jīng)對比分析，機組首次發(fā)現(xiàn)過濾器網(wǎng)片破損問題時間對比如表3所示。

表3 機組首次發(fā)現(xiàn)過濾器網(wǎng)片破損問題時間對比Table 3 Comparison time when the unit first found the problem of filter mesh breakage

1.2 失效網(wǎng)片樣品收集

為描述方便，約定網(wǎng)片窄側(cè)為頭部、寬側(cè)為尾部，網(wǎng)片沒有網(wǎng)孔區(qū)域為邊緣，面向網(wǎng)片凸側(cè)(背水側(cè))且頭部朝上則右手側(cè)邊緣為右邊緣，左手側(cè)邊緣為左邊緣，網(wǎng)片中間開孔區(qū)域為網(wǎng)孔區(qū)。如圖3所示。

圖3 二次濾網(wǎng)網(wǎng)片實物圖Fig.3 Drawing of secondary filter screen

為了確保樣本失效模式的全面性和代表性，提取了未破損網(wǎng)片，縱向撕裂網(wǎng)片、頭部開裂和尾部開裂網(wǎng)片各一片，并針對整體縱向撕裂最嚴重的網(wǎng)片進行了重點微觀檢查。

破損的網(wǎng)片失效情況如下：網(wǎng)片邊緣和網(wǎng)孔區(qū)域從網(wǎng)片尾部為初始撕裂點，裂口直至網(wǎng)片頭部；此外在主裂口垂直分布兩條次要裂紋，剛好位于弧形支撐部位。網(wǎng)孔區(qū)域大部分孔橋出現(xiàn)較深裂痕，多處孔橋存在斷裂情況。

2 網(wǎng)片失效原因測試及分析

針對收集的失效網(wǎng)片進行幾何參數(shù)核查、體視檢查、成分分析、金相檢驗、拉伸試驗及應力分析計算對二次濾網(wǎng)網(wǎng)片開裂原因進行了綜合評估，如圖4所示。

圖4 二次濾網(wǎng)網(wǎng)片開裂情況示意圖Fig.4 Secondary filter mesh cracking

2.1 幾何參數(shù)核查

(1)幾何參數(shù)核查過程

通過對二次濾網(wǎng)網(wǎng)片的壁厚、孔距、孔橋尺寸進行測量，網(wǎng)片實測厚度為2 mm，網(wǎng)孔平均直徑為5.2 mm，孔橋平均尺寸為700 μm，如圖5所示。

圖5 二次濾網(wǎng)網(wǎng)片尺寸測量示意圖Fig.5 Measurement of mesh size of secondary filter screen

(2)幾何參數(shù)核查結(jié)果分析

二次濾網(wǎng)網(wǎng)片厚度滿足設計要求，網(wǎng)孔開孔尺寸基本滿足精度要求，孔橋?qū)挾日w尺寸較設計基準偏小，故孔橋尺寸偏差是造成二次濾網(wǎng)網(wǎng)孔開裂的重要原因之一。

2.2 體視核查

(1)未開裂網(wǎng)孔區(qū)體視檢查

利用蔡司體視顯微鏡對二次濾網(wǎng)網(wǎng)孔區(qū)開孔進行外觀顯微觀察，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)孔區(qū)域普遍存在明顯的飛邊、毛刺及細小缺口，網(wǎng)孔內(nèi)表面有明顯沿著網(wǎng)孔法線方向的開裂痕跡，如圖6所示。

圖6 二次濾網(wǎng)網(wǎng)片未開裂開孔區(qū)顯微圖Fig.6 Uncracked opening area of secondary filter screen

(2)開裂網(wǎng)孔區(qū)體視檢查

利用蔡司體視顯微鏡對網(wǎng)片多處孔橋斷口進行觀察，孔橋斷口形貌基本一致，斷面整齊，有明顯的瞬斷區(qū)，如圖7所示。部分網(wǎng)孔區(qū)開裂斷面存在磨損、扭轉(zhuǎn)變形痕跡、圓孔內(nèi)表面基本都存在一條幾乎貫穿網(wǎng)孔厚度方向的裂紋。

圖7 開孔區(qū)截斷面形貌顯微圖Fig.7 Cross section of opening area

(3)網(wǎng)孔區(qū)體視檢查結(jié)果分析

由于網(wǎng)片的加工工藝為在雙相不銹鋼鋼板開孔后彎曲成型，網(wǎng)片存在較大的殘余應力。在工藝流體外力作用下，孔橋出現(xiàn)原始凹坑或裂紋，在二次濾網(wǎng)持續(xù)運行期間，在水壓的作用下，二次濾網(wǎng)網(wǎng)片持續(xù)受力產(chǎn)生振動進而出現(xiàn)變形和開裂，如圖8所示。

圖8 網(wǎng)孔孔橋開裂過程示意圖Fig.8 Cracking process of mesh Bridge

2.3 成分分析

通過直讀光譜儀檢測二次濾網(wǎng)網(wǎng)片化學成分并對比ASTM-240 M標準，如表4所示。

表4 二次濾網(wǎng)網(wǎng)片化學成分對比Table 4 Comparison of chemical composition of secondary filter mesh

結(jié)論：二次濾網(wǎng)網(wǎng)片成分滿足標準要求。

2.4 金相檢驗

依據(jù)標準GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》對金屬顯微組織進行金相制樣和檢查，結(jié)果顯示，二次濾網(wǎng)網(wǎng)片材料為奧氏體組織(黑色)與鐵素體組織(白色)，兩項組織各約占50%，滿足S32205金相組織標準要求。

圖9 網(wǎng)片金相組織示意圖Fig.9 Schematic diagram of metallographic structure

2.5 拉伸試驗

依據(jù)標準GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫拉伸方法》，檢測結(jié)果及標準對比如表5所示，網(wǎng)片的材料拉伸性能滿足標準要求。

表5 二次濾網(wǎng)網(wǎng)片拉伸試驗對比Table 5 Comparison of tensile test of secondary filter mesh

2.6 網(wǎng)片受力分析

(1)網(wǎng)片應力計算

單個網(wǎng)片幾何模型如圖10所示，利用workbench靜力學分析模塊進行求解網(wǎng)板上的應力分布。根據(jù)二次濾網(wǎng)本體的實際運行工況，設定對網(wǎng)片迎水面分別施加10 kPa清潔壓差、45 kPa濾網(wǎng)反洗啟動壓差、86 kPa濾網(wǎng)堵塞極限壓差進行分析，對網(wǎng)片的22個固定螺栓孔施加固定約束，如圖11所示。

圖10 網(wǎng)片幾何模型Fig.10 Mesh geometry model

圖11 網(wǎng)片應力分布Fig.11 Stress distribution of mesh

根據(jù)求解應力分布圖可知，網(wǎng)片最大應力點出現(xiàn)在網(wǎng)片固定螺栓孔附近，網(wǎng)孔區(qū)最大應力點出現(xiàn)在網(wǎng)片尾部網(wǎng)孔區(qū)域與網(wǎng)片邊緣交界面上，如圖12所示，提取該位置孔橋應力值可知網(wǎng)片迎水面施加的壓力值變大，分界線孔橋表面應力值也隨之增大。

圖12 孔橋應力分布Fig.12 Stress distribution of span bridge

在實際運行工況下，網(wǎng)片受到海水的沖擊時，網(wǎng)片中間區(qū)域向背水側(cè)移動，網(wǎng)片兩側(cè)向圓弧網(wǎng)片中間移動，網(wǎng)片尾部的變形量比網(wǎng)片的頭部變形量要大，如圖13所示。

圖13 網(wǎng)片變形示意圖Fig.13 Mesh deformation diagram

(2)網(wǎng)片開裂力學計算結(jié)論

在同一位置，網(wǎng)片背水面的應力相較迎水面應力值大，網(wǎng)片實際開裂起始點與應力分布情況吻合。網(wǎng)片孔橋尺寸、網(wǎng)片厚度不足也是網(wǎng)片開裂的促成原因，尺寸越小，網(wǎng)片邊緣應力越大，網(wǎng)片越容易開裂。

(3)網(wǎng)片開裂原因分析結(jié)論

通過對某國產(chǎn)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片進行微觀檢查、成分分析和建模應力分析，得出網(wǎng)片開裂失效原因如下：

1)網(wǎng)孔加工工藝質(zhì)量不佳，網(wǎng)孔邊緣飛邊、毛刺過多，存在細微的缺陷，這些缺陷是網(wǎng)片開裂的起始點；

2)孔橋?qū)嶋H加工尺寸偏小，強度不足；

3)邊緣孔橋布置不合理，網(wǎng)片邊緣與開孔區(qū)的分界線幾乎為一條直線，一旦網(wǎng)片從尾部開始發(fā)生開裂異常，容易從網(wǎng)片尾部開裂至網(wǎng)片頭部。

4)網(wǎng)片背水側(cè)弧形支撐布置不合理，部分支撐與網(wǎng)片間隙較大，未起到支撐作用。

3 網(wǎng)片可靠性提升措施

3.1 網(wǎng)片結(jié)構改進

為提升網(wǎng)片整體強度，提升網(wǎng)片抗變形能力，在不改變網(wǎng)片整體結(jié)構形式的基礎上制定如下優(yōu)化措施：

優(yōu)化二次濾網(wǎng)網(wǎng)片尾部設計，增加圓鋼支撐用于抵消網(wǎng)片尾部變形，提升網(wǎng)片尾部強度；網(wǎng)孔區(qū)增加T型盲孔區(qū)，提升網(wǎng)片整體強度，優(yōu)化網(wǎng)片應力分布。

3.2 網(wǎng)片安裝質(zhì)量提升

二次濾網(wǎng)網(wǎng)片采用螺栓固定于二次濾網(wǎng)網(wǎng)片筋板上，網(wǎng)片背部設置兩道弧形支撐，在現(xiàn)場實際工程安裝階段，弧形支撐與網(wǎng)片手工安裝配合難度較高，很難將弧形支撐與網(wǎng)片完全貼合。通過設計夾具工裝固定弧形支撐再進行焊接可以提升網(wǎng)片及弧形支撐安裝質(zhì)量和效率，縮短工期，如圖14所示。

圖14 網(wǎng)片弧形支撐工裝示意圖Fig.14 Schematic diagram of arc support tooling

3.3 網(wǎng)片網(wǎng)孔加工工藝改進

確保網(wǎng)孔加工效率的基礎上減少網(wǎng)片開裂起始點，是設備制造企業(yè)目前需要解決的問題。傳統(tǒng)的沖孔機械加工工藝容易對網(wǎng)片材料本身組織產(chǎn)生機械損傷，形成細微裂紋和應力，不利于網(wǎng)片長期可靠運行。

激光鉆孔是可以應用于網(wǎng)片加工制造的新工藝，通過嚴格的精度控制(±0.0254 mm)和氣體保護、功率控制，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)孔加工斷面的高質(zhì)量和高穩(wěn)定性，同時確保了網(wǎng)片加工效率，適合大批量生產(chǎn)。

4 結(jié)論

本文通過制定網(wǎng)片結(jié)構設計優(yōu)化、安裝質(zhì)量優(yōu)化等措施提升網(wǎng)片整體可靠性和使用壽命，下一步可將優(yōu)化網(wǎng)片網(wǎng)孔加工工藝作為提升網(wǎng)片使用壽命的攻關方向，消除或大幅度減少網(wǎng)片開裂起始點。