循環(huán)水鼓形濾網(wǎng)齒條斷裂原因分析及處理

付 勇，孫 杰，白 川，陳 淼，李國才，周仕雄

（中核核電運行管理有限公司維修三處，浙江嘉興 314300）

0 引言

鼓形濾網(wǎng)是壓水堆核電廠循環(huán)水系統(tǒng)的主要過濾設(shè)備之一，用于去除海水中的細(xì)小雜物，以保證下游泵、換熱器等設(shè)備的正常運行。

某電廠鼓形濾網(wǎng)型號為GWNS19×5.0（圖1），濾網(wǎng)直徑19 m，有效寬度4.16 m，采用雙速電機(jī)驅(qū)動，網(wǎng)片直徑4.2 mm，主軸安裝成與攔污柵的平面平行，水流由內(nèi)向外流動。污物被攔截于鼓形濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)，通過反沖洗水系統(tǒng)沖洗后從排污管道排出。其中齒條材料是以灰鑄鐵為基體的鎳鉻鑄鐵，小齒輪材質(zhì)是單體澆鑄的MC901尼龍。

圖1 鼓形濾網(wǎng)

1 問題

某電廠功率運行期間發(fā)生鼓形濾網(wǎng)齒條斷裂缺陷，如果不及時處理，斷裂的齒條可能掉落至鼓網(wǎng)坑，造成鼓形濾網(wǎng)傳動失效而停運，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運行。

鼓形濾網(wǎng)整圈齒軌上安裝有60 根齒條，每根齒條長約1 m，通過4 顆M24 螺栓固定在齒軌上，兩側(cè)及中間部位設(shè)計凸臺支撐整個齒條。斷裂位置在齒條中間靠近凸臺位置的齒根部位（圖2），齒條材料牌號為鎳鉻鑄鐵STNi2Cr，鑄件基體為HT300。

圖2 齒條斷裂位置

2 原因分析

為確定齒條斷裂原因，制定針對性的處理措施，避免類似問題重復(fù)發(fā)生，對斷裂的齒條進(jìn)行失效分析。

2.1 試驗方法

根據(jù)測試和分析需要，對齒條分別進(jìn)行宏觀檢查、化學(xué)成分分析、拉伸性能檢驗、金相檢驗和斷口微觀分析。

（2）化學(xué)成分分析：在齒條上取屑進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法（常規(guī)方法）》，CSM 07039401—2003《合金鋼：錳、磷、鉻、鎳、鉬、銅、釩、鈷、鈦、鋁含量的測定：電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》。

（3）硬度測試：對齒條靠近斷口處及遠(yuǎn)離斷口處齒部取樣的齒表面和基體分別進(jìn)行布氏硬度測試，測試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 231.1—2018《金屬布氏硬度試驗第一部分：試驗方法》。

（4）室溫拉伸性能測試：對齒條靠近斷口處及遠(yuǎn)離斷口處分別取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗，拉伸試樣按照GB/T 9439—2010《灰鑄鐵件》標(biāo)準(zhǔn)中表5 采取直徑10 mm 的圓棒狀拉伸試棒，測試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》。

（5）室溫沖擊性能測試：對齒條靠近斷口處及遠(yuǎn)離斷口處分別取樣進(jìn)行室溫沖擊性能測試。測試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》。

（6）金相檢驗：在對齒條靠近斷口處及遠(yuǎn)離斷口處齒部截取試樣進(jìn)行金相檢驗，測試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 7216—2009《灰鑄鐵金相檢驗》和GB/T 13299—1991《金屬顯微組織檢驗方法》。

（7）斷口微觀分析：將齒條斷口放入掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，檢測標(biāo)準(zhǔn)：JY/T 010—1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。

2.2 檢驗結(jié)果

2.2.1 宏觀檢查

第三次熔頂發(fā)生在第一道氣環(huán)閉口間隙值較小的第二缸、第三缸，從表1看出，其二、三缸的閉口間隙值是偏小的，與第二次熔頂?shù)脑蝾愃疲溟]口間隙值偏小是造成拉缸、熔頂?shù)母驹颉?/p>

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)齒條斷裂位置位于靠近底部凸臺一側(cè)邊緣的齒根處，斷口較為平齊，沒有明顯的塑性變形，但可見由齒根側(cè)向外輻射的擴(kuò)展放射條紋，斷面呈深土黃色，磨損及銹蝕較為嚴(yán)重，為脆性斷裂斷口（圖3）。同時發(fā)現(xiàn)齒面存在明顯的偏磨現(xiàn)象，與齒底部凸臺對應(yīng)位置的齒面磨損尤為明顯，且齒條中段的齒底部凸臺兩側(cè)（和墊片接觸位置）有明顯的磨損痕跡。

圖3 齒條斷口宏觀形貌

2.2.2 化學(xué)成分

在斷裂齒條上取樣鉆取部分鐵屑，利用PerkinElmer Optima210 0DV 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和C、S 分析儀進(jìn)行螺栓的化學(xué)成分分析，并與廠家技術(shù)條件要求對比，化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分檢驗結(jié)果wt%

化學(xué)成分分析結(jié)果表明，齒條的C 含量略高于廠家技術(shù)條件要求的上限值，Si 含量略低于廠家技術(shù)條件要求的下限值，其余元素的含量均在廠家技術(shù)條件要求的成分范圍內(nèi)。

2.2.3 硬度試驗

依據(jù)GB/T 231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》，對齒條取樣齒面和基體進(jìn)行布氏硬度測試，測試設(shè)備為HBS-3000 型數(shù)顯布氏硬度計，測試條件：負(fù)荷187.5 kg，負(fù)荷保持時間10 s，測試結(jié)果見表2。

表2 布式硬度試驗結(jié)果HBW

硬度測試結(jié)果表明，齒條兩位置取樣的齒面硬度、齒頂側(cè)基體硬度及遠(yuǎn)離斷口處取樣的齒中部基體硬度均偏高。

2.2.4 拉伸性能試驗

依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》，對斷裂齒條取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗，拉伸試驗在日本島津AG-IC 100 kN 精密電子萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行。試驗結(jié)果見表3。

表3 室溫拉伸性能試驗結(jié)果

室溫拉伸試驗結(jié)果表明，齒條本體取樣的抗拉強(qiáng)度低于GB/T 9439—2010 標(biāo)準(zhǔn)中對壁厚40～80 mm 的HT300 鑄件本體取樣的要求。

2.2.5 沖擊性能

依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用ZwickAMSLER RKP 450 沖擊試驗機(jī)對斷裂齒條取樣進(jìn)行室溫沖擊試驗，錘刃半徑2 mm，擺錘角度150°，打擊能量150 J，缺口類型為V 形。試驗結(jié)果見表4。

表4 室溫沖擊性能檢驗結(jié)果

GB/T 9439—2010 標(biāo)準(zhǔn)中對灰鑄鐵的沖擊性能未做規(guī)定，從沖擊性能試驗結(jié)果來看，斷裂齒條的沖擊功較低（1.0 J）。

2.2.6 金相檢驗

依據(jù)GB/T 7216—2009《灰鑄鐵金相檢驗》，采用ZEISS AXIOVERT 200 MAT 研究級倒置萬能金相顯微鏡，對斷裂齒條取樣進(jìn)行金相檢驗，包括拋光態(tài)下的石墨分布形狀，及經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后的組織形態(tài)檢驗，檢驗結(jié)果見表5，金相檢驗照片見圖4、圖5。

圖4 齒條斷口附近取樣拋光態(tài)石墨形狀

圖5 齒條遠(yuǎn)離斷口處取樣拋光態(tài)石墨形狀

表5 金相組織檢驗結(jié)果

金相檢驗結(jié)果表明，斷裂齒條斷口附近和遠(yuǎn)離斷口斷口處取樣的金相組織沒有明顯差異，均為灰鑄鐵的典型組織，齒頂側(cè)組織較細(xì)，且存在明顯的枝晶偏析現(xiàn)象，石墨類型以F 型為主，這是由于齒頂側(cè)在凝固過程中過冷度較大，冷速較快造成的，未見明顯的氣孔、疏松等缺陷。

2.2.7 斷口電鏡微觀觀察

對齒條的斷口取樣在掃描電鏡下進(jìn)行微觀觀察，試驗儀器為ZEISSMerlin Compact 場發(fā)射掃描電子顯微鏡，TESCAN VEGA TS5136XM 掃描電子顯微鏡，斷口電鏡微觀照片見圖6。通過對齒條斷口的掃描電鏡微觀觀察可以看出，斷裂齒條斷口表面無明顯塑性變形特征，但斷面已完全被腐蝕，難以觀察到原始斷裂特征。

圖6 齒條斷掃描電鏡微觀照片

2.3 分析小結(jié)

綜上檢驗結(jié)果分析，鼓網(wǎng)齒條的斷裂位置位于靠近底部凸臺一側(cè)邊緣的齒根處，由擴(kuò)展放射條紋可以看出，裂紋由齒根處啟裂并向底部側(cè)迅速擴(kuò)展并最終斷裂，為脆性斷裂斷口。齒根處為應(yīng)力集中位置，同時檢查發(fā)現(xiàn)，齒條中段的齒底部凸臺兩側(cè)（和墊片接觸位置）有明顯的磨損痕跡，且與齒底部凸臺對應(yīng)位置的齒面磨損尤為明顯，另據(jù)現(xiàn)場檢修反饋，重新安裝齒條時發(fā)現(xiàn)齒條中部架在齒軌固定螺栓墊片上導(dǎo)致齒條整體翹起，齒條無法直接安裝到位。由此表明，墊片尺寸較大影響了該處齒條安裝的平整度，進(jìn)一步加劇了底部凸臺對應(yīng)位置齒根處的應(yīng)力集中程度。

其次，對斷裂齒條的理化性能檢驗表明，齒條的C 含量略高于廠家技術(shù)條件要求的上限值，Si 含量略低于廠家技術(shù)條件要求的下限值，Si/C 為0.41，處于較低水平，而研究表明，Si/C 值過低會影響鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，增大斷面敏感性，降低彈性模量和形變抗力。再者，齒條本體取樣的抗拉強(qiáng)度明顯偏低，且齒條為珠光體類灰鑄鐵，其鑄造性能好，但脆性較大（沖擊功為1.0 J）以及較低的強(qiáng)度和沖擊韌性，將導(dǎo)致齒條在運行過程中，應(yīng)力集中部位更易產(chǎn)生裂紋，而一旦出現(xiàn)裂紋萌生，就會引起裂紋的快速擴(kuò)展至最終脆性斷裂。

3 處理措施及建議

鼓形濾網(wǎng)齒條斷裂后直接影響設(shè)備運行，停運鼓網(wǎng)進(jìn)行齒條更換，并對齒軌連接墊片（圖7）寬度進(jìn)行打磨，避免與新齒條中間凸臺干涉，造成額外應(yīng)力集中，同時結(jié)合斷裂齒條進(jìn)行的相關(guān)檢驗和綜合分析，提出以下改進(jìn)建議：①加強(qiáng)對齒條材料的檢驗，確保齒條的各項性能滿足廠家技術(shù)條件及標(biāo)準(zhǔn)的要求；②考慮采用耐磨性滿足要求，但強(qiáng)度更高、沖擊韌性更佳的材料制造齒條，確保齒條滿足使用要求。

圖7 齒軌連接墊片位置

更換新齒條后運行一個循環(huán)周期（18 個月）未出現(xiàn)齒條斷裂等異常情況。

4 結(jié)論

通過鼓形濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點及齒條斷裂原因分析可知，斷裂齒條的化學(xué)成分及齒面硬度不滿足廠家技術(shù)條件的要求，斷裂齒條本體取樣的抗拉強(qiáng)度低于GB/T 9439—2010 標(biāo)準(zhǔn)的要求，齒條斷裂方式為典型的灰鑄鐵脆性斷裂。因齒條及齒軌本身不平整度以及齒軌墊片的干涉，在齒條中部產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中部位容易產(chǎn)生裂紋，裂紋萌生后引起快速擴(kuò)展至最終脆性斷裂，本文分析所得結(jié)論和處理建議對同類型鼓形濾網(wǎng)運行維護(hù)、備件管理具有一定的參考意義。