二次濾網(wǎng)設(shè)備故障分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

魏邦華

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

核電機(jī)組中二次濾網(wǎng)設(shè)備的功能是過濾循環(huán)水中的雜質(zhì)，保證符合要求的循環(huán)水進(jìn)入凝汽器傳熱管水側(cè)，冷卻汽輪機(jī)的排汽或二次濾網(wǎng)故障將影響機(jī)組的冷源安全，導(dǎo)致機(jī)組降功率或停機(jī)。

1 二次濾網(wǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作過程

目前百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組配套的的二次濾網(wǎng)均采用排污斗單懸臂布置設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)的二次濾網(wǎng)采用網(wǎng)片固定、排污斗旋轉(zhuǎn)的方式設(shè)計(jì)。二次濾網(wǎng)的工作原理：當(dāng)濾網(wǎng)壓差高時(shí)自動(dòng)進(jìn)行反沖洗，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)傘形減速器工作，傘形減速器通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)主軸包運(yùn)行，主軸包帶動(dòng)排污斗依次間隔轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)排污斗轉(zhuǎn)至某一隔倉定位停止時(shí)，此隔倉區(qū)域內(nèi)的水在壓差的作用下改變方向，從濾網(wǎng)內(nèi)反向流入排污斗內(nèi)，沖洗排污區(qū)域?yàn)V網(wǎng)網(wǎng)片表面，將雜物沖出濾網(wǎng)，并經(jīng)排污管、排污閥排出，完成一個(gè)隔倉的清洗、排污過程，實(shí)現(xiàn)濾網(wǎng)自動(dòng)清洗排污。

圖1 二次濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 The structure and principle of the secondary filter equipment1—扇形濾網(wǎng)；2—壓差測(cè)量系統(tǒng)；3—驅(qū)動(dòng)電機(jī)；4—反沖洗排放閥；5—排污斗

2 核電機(jī)組配套的二次濾網(wǎng)設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)分析

目前國內(nèi)核電機(jī)組配套的二次濾網(wǎng)設(shè)備主要由三個(gè)不同的廠家供貨，無論哪個(gè)廠家供貨的二次濾網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)與圖1類似，排污斗均是單懸臂設(shè)計(jì)。福清核電1、2號(hào)機(jī)組及3、4號(hào)機(jī)組所使用的二次濾網(wǎng)是不同的廠家設(shè)計(jì)及制造的，但均多次出現(xiàn)故障，調(diào)研同行核電廠，寧德核電及方家山核電二次濾網(wǎng)均發(fā)生過相似的故障，故障情況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 二次濾網(wǎng)故障統(tǒng)計(jì)表Table 1 Fault statistical of the secondary filter equipment

從二次濾網(wǎng)故障統(tǒng)計(jì)表可以看出目前百萬千瓦核電機(jī)組配套的的二次濾網(wǎng)確實(shí)故障頻發(fā)，且無論是哪個(gè)廠家供貨的二次濾網(wǎng)，排污斗均采用單懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，均存在類似的故障缺陷，這一問題已嚴(yán)重影響多個(gè)核電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，迫切需要進(jìn)行根本原因分析，并采取針對(duì)性的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，以達(dá)到降低故障率，提高運(yùn)行可靠性的目的。

3 二次濾網(wǎng)故障根本原因分析

各個(gè)核電廠各臺(tái)機(jī)組二次濾網(wǎng)故障均有磨損嚴(yán)重、螺栓斷裂等現(xiàn)象，分析原二次濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖可知，排污斗均是單懸臂設(shè)計(jì)，在濾網(wǎng)的壓差作用下，排污斗將會(huì)受到一個(gè)作用力，該力的大小與濾網(wǎng)壓差的大小及排污斗的面積有關(guān)，該作用力會(huì)將排污斗緊壓在濾網(wǎng)筒體的支承圈上，使耐磨板與支撐圈間產(chǎn)生磨擦，當(dāng)耐磨板磨損嚴(yán)重時(shí)，耐磨板與支撐圈間出現(xiàn)間隙后，支撐圈將不再受力，此時(shí)該作用力通過排污斗力臂施加于主軸包上并形成一個(gè)外力矩，使主軸向排污斗側(cè)發(fā)生位移，從而使得主軸緊壓在排污斗側(cè)的密封圈上，加劇了主軸包密封圈的磨損。福清核電3、4號(hào)機(jī)組二次濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)外形圖[1]如圖2所示。

圖2 福清核電3、4號(hào)機(jī)組單懸臂結(jié)構(gòu)二次濾網(wǎng)外形圖Fig.2 The single cantilever structure of the secondary filter equipment in Unit 3 &4 of Fuqing NPP

當(dāng)耐磨板與濾網(wǎng)筒體支撐圈間出現(xiàn)間隙后，支撐圈不再受力，根據(jù)理論力學(xué)中物體的受力分析和受力圖章節(jié)[2]，畫出此時(shí)軸系的受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。此時(shí)排污斗在濾網(wǎng)壓差的作用下向排污斗側(cè)產(chǎn)生位移S1，主軸緊壓在排污斗側(cè)的密封圈上，加劇了主軸包密封圈的磨損。同時(shí)太陽輪及行星輪將向S2方向產(chǎn)生位移，造成太陽輪側(cè)減速機(jī)傘齒輪擺動(dòng)量較大，使得傘齒輪間嚙合不好，因而造成傘齒輪磨損。行星輪在向S2方向移動(dòng)的過程中擠壓大齒圈(大齒圈固定在減速機(jī)殼體上)，對(duì)減速機(jī)殼體產(chǎn)生一個(gè)向S2方向的力，此力與F3大小相等，方向相反，該力使得減速機(jī)殼體法蘭螺栓承受剪切力作用。

圖3 單懸臂結(jié)構(gòu)二次濾網(wǎng)主軸軸系受力簡(jiǎn)圖Fig.3 The force on the main shaft system of the single cantilever structure of the secondary filter

根據(jù)主軸軸系受力簡(jiǎn)圖3，F(xiàn)為在濾網(wǎng)壓差作用于排污斗上的合外力，F(xiàn)1為主軸推力軸承所承受的軸向力，F(xiàn)2為主軸密封圈處徑向軸承的支撐力，F(xiàn)3為減速機(jī)殼體對(duì)行星輪輪系的支撐力。L、L2、L3分別為F、F2、F3力對(duì)應(yīng)的力臂，則有下列平衡方程式：

F=F1

(1)

F2=F3

(2)

F×L=F2×L2+F3×L3=F3×(L2+L3)

(3)

查原二次濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)圖紙，得濾網(wǎng)筒體直徑φ2 600 mm，共設(shè)計(jì)有16個(gè)隔倉，L2+L3=1 100 mm，濾網(wǎng)工作壓力P=300 kPa，計(jì)算二次濾網(wǎng)排污斗的面積S=3.14×R2÷16=3.14×1.3×1.3÷16=0.33 m2。

排污斗在濾網(wǎng)壓差P作用下所受外力F=P×S。

排污斗在濾網(wǎng)壓差P作用下所受的外力矩根據(jù)積分公式可得

(4)

聯(lián)立式(2)、式(3)、式(4)，并代入L2+L3=1 100 mm、P=300 kPa已知條件，求得F3=13.4×103 N。

由此可見，二次濾網(wǎng)減速機(jī)殼體在二次濾網(wǎng)壓差作用下承受了一個(gè)垂直于太陽輪軸系較大的外力，在該力的作用下減速機(jī)法蘭螺栓承受剪切力。減速機(jī)法蘭處共有8個(gè)M8的碳鋼螺栓(材質(zhì)Q235)，查鋼結(jié)構(gòu)手冊(cè)碳鋼螺栓的拉伸許用強(qiáng)度為[σ]=100 MPa，剪切許用強(qiáng)度取拉伸許用強(qiáng)度的0.5倍，則剪切許用強(qiáng)度[τ]=50 MPa。查國家標(biāo)準(zhǔn)《螺紋緊固件應(yīng)力截面積和承載面積》[3]，M8的螺栓截面積為36.6 mm2，動(dòng)載系數(shù)K取1.1則螺栓剪切強(qiáng)度校核如下：

因此分析減速機(jī)法蘭處螺栓斷裂的根本原因是在濾網(wǎng)壓差作用下排污斗單邊受力，導(dǎo)致減速機(jī)殼體螺栓受到過大的剪切力而斷裂。螺栓斷裂后減速機(jī)在重力作用下落下，導(dǎo)致傳動(dòng)軸系失效。

二次濾網(wǎng)網(wǎng)片破損問題和單懸臂排污斗結(jié)構(gòu)沒有直接關(guān)系，經(jīng)外送網(wǎng)片斷裂樣品送105所進(jìn)行破口力學(xué)分析，結(jié)論是網(wǎng)片破裂為疲勞斷裂[4]，105所經(jīng)破口力學(xué)分析建議：“可通過提高網(wǎng)片厚度有效降低網(wǎng)片孔橋處的應(yīng)力值，降低網(wǎng)片發(fā)生疲勞開裂的風(fēng)險(xiǎn)。”

4 設(shè)計(jì)改進(jìn)

考慮到濾網(wǎng)壓差作用在排污斗上的不平衡力是導(dǎo)致磨損及螺栓斷裂的根本原因，改進(jìn)設(shè)計(jì)中必需平衡排污斗部件因?yàn)V網(wǎng)壓差而產(chǎn)生的不平衡力，降低主軸所承受的不平衡外力矩，減少減速機(jī)法蘭處因?yàn)V網(wǎng)壓差作用而產(chǎn)生外力。因此采用了排污斗對(duì)稱布置的雙懸臂結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的二次濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 雙懸臂結(jié)構(gòu)二次濾網(wǎng)剖面圖Fig.4 The sectional view of the secondary filter with double cantilever structure 1—濾網(wǎng)筒體；2—網(wǎng)片；3—排污斗；4—排污管；5—耐磨板；6—主軸包；7—減速機(jī)；8—傳動(dòng)軸；9—電機(jī)；10—支撐筋板；11—隔倉板；12—密封罩；13—傳動(dòng)軸密封罩

與福清核電3、4號(hào)機(jī)組二次濾網(wǎng)原設(shè)計(jì)圖紙相比，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案主要有如下特點(diǎn)。

1)二次濾網(wǎng)筒體內(nèi)隔倉由目前的16個(gè)，修改為24個(gè)；

2)排污斗由目前的1個(gè)增加到2個(gè)且對(duì)稱布置，2個(gè)排污斗共用一根排污管道；

3)在二次濾網(wǎng)網(wǎng)片頂部及網(wǎng)片中部的背水側(cè)及迎水側(cè)均增設(shè)支撐筋板；

4)二次濾網(wǎng)的網(wǎng)片厚度由原設(shè)計(jì)的2 mm增加到3 mm，提高網(wǎng)片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

5)在減速機(jī)法蘭處的螺栓規(guī)格由原設(shè)計(jì)M8變更為M10，提高螺栓承載能力；

6)在減速機(jī)法處法蘭處增加2個(gè)彈簧銷，提高抗剪切能力；

7)在耐磨板上鑲嵌耐磨陶瓷，提高耐磨性能。

通過對(duì)軸系受力、網(wǎng)片可靠性、耐磨極可靠性的分析以及濾網(wǎng)火阻的計(jì)算，驗(yàn)證改進(jìn)后雙懸臂結(jié)構(gòu)二次濾網(wǎng)的性能。

(1)軸系受力分析

因排污斗對(duì)稱布置，且兩個(gè)排污斗的面積完全一樣，所以濾網(wǎng)壓差產(chǎn)生的外力剛好互相平衡，不會(huì)使主軸包產(chǎn)生徑向位移，減速機(jī)法蘭處的剪切力將大大降低，理論上可以完全消除，如圖5所示。

圖5 雙懸臂結(jié)構(gòu)二次濾網(wǎng)主軸軸系受力簡(jiǎn)圖Fig.5 The force on the main shaft system of the secondary filter with double cantilever structure

采用雙懸臂對(duì)稱的排污斗布置，F(xiàn)1=2F，即濾網(wǎng)壓差所產(chǎn)生的力完全作用于推力軸承上，減速機(jī)法蘭螺栓不再有剪切力作用，可以避免減速機(jī)法蘭螺栓斷裂故障的發(fā)生，另外減速機(jī)法蘭處增加了2個(gè)彈簧銷，提高了抗剪切能力，螺栓由原來的M8變更為M10，提高了螺栓的承載能力，因此大大提高了減速機(jī)的可靠性。

因?qū)ΨQ布置的排污斗，主軸不會(huì)產(chǎn)生徑向位移，所以太陽輪軸及減速機(jī)傘齒輪不會(huì)產(chǎn)生較大擺動(dòng)，兩個(gè)傘齒輪可實(shí)現(xiàn)正常嚙合，減速機(jī)傘齒輪的磨損問題可得到較大的改善。因主軸不會(huì)產(chǎn)生徑向位移，主軸處于中心位置，將不再緊壓在排污斗側(cè)的密封圈上，大大改善了主軸包密封圈的磨損，提高了主軸包的使用壽命。

(2)網(wǎng)片可靠性分析

將隔倉由原來的16個(gè)增加到24個(gè)后，網(wǎng)片的弧長縮到原來的67%，網(wǎng)片的剛度及支撐強(qiáng)度將得到一定水平的提高，原設(shè)計(jì)的網(wǎng)片在迎水面未設(shè)計(jì)支撐板，在反沖洗階段及正常運(yùn)行階段網(wǎng)片承受正向及反向的交變應(yīng)力作用，導(dǎo)致網(wǎng)片疲勞斷裂。改進(jìn)后的二次濾網(wǎng)不僅在背水面安裝網(wǎng)片支撐加強(qiáng)筋，在迎水面也設(shè)計(jì)有支撐加強(qiáng)筋，提高網(wǎng)片抗疲勞斷裂的能力。將網(wǎng)片厚度由2 mm增加到3 mm，網(wǎng)片的承載能力有所提高，因此改進(jìn)后，網(wǎng)片可靠性將得到較大的提升。

(3)耐磨板可靠性分析

因排污斗對(duì)稱布置，壓差作用在排污斗表面的力相互平衡，主軸不會(huì)產(chǎn)生徑向位移，理論上耐磨板與網(wǎng)架間可保持一定的設(shè)計(jì)間隙，耐磨板磨損風(fēng)險(xiǎn)大大降低，提高了耐磨板的可靠性?？紤]運(yùn)行期間排污斗可能存在一定的變形，導(dǎo)致耐磨板與網(wǎng)架間產(chǎn)生磨擦，在耐磨板表面鑲嵌耐磨陶瓷，提高耐磨性能，延長了耐磨板的壽命，提高了耐磨板的使用可靠性。

(4)濾網(wǎng)水阻計(jì)算

改進(jìn)后的濾網(wǎng)隔倉由原來的16個(gè)增加到24個(gè)，排污斗由原設(shè)計(jì)的1個(gè)變更為2個(gè)，總的通流面積發(fā)生了變化，需校核濾網(wǎng)水阻是否在可接受的范圍內(nèi)。

原設(shè)計(jì)的二次濾網(wǎng)通流面積記為S1，改進(jìn)后的二次濾網(wǎng)通流面積記為S2，則有下式成立：

S1=3.14×R2÷16×15

(5)

S2=3.14×R2÷24×22

(6)

將式(6)除以式(5)則得S2=0.97S1。

查福清核電3、4號(hào)機(jī)組二次濾網(wǎng)原設(shè)計(jì)圖紙[1]，濾網(wǎng)水阻設(shè)計(jì)值ΔP=3 kPa，濾網(wǎng)前的壓力為P、流速為V、濾網(wǎng)后流速為V1、濾網(wǎng)后壓力為P1；改進(jìn)后的濾網(wǎng)設(shè)計(jì)水阻記為ΔP1、濾網(wǎng)后流速為V2、濾網(wǎng)后壓力為P2、循環(huán)水流量記為Q、循環(huán)水管的通流面積記為S，則由流體力學(xué)可得：

V2/2+P=V12/2+P1

(7)

V2/2+P=V22/2+P2

(8)

ΔP1=P-P2 =V22/2-V2/2

(9)

ΔP=P-P1=V12/2-V2/2=3 kPa

(10)

Q=VS=V1S1=V2S2=0.97V2S1

(11)

由式(11)，可得出V1=VS/S1并代入式(10)得出

(S2/S12-1)V2/2=3 kPa

(12)

由式(11)，可得出V2=VS/S2并代入式(9)得出

(S2/S22-1)V2/2=ΔP1

(13)

將S2=0.97S1代入式(13)得出

[s2/(0.97S1)2-1]V2/2=ΔP1

(14)

式(12)與式(14)兩邊相除則可得

[S2/(0.97S1)2-1]V2/2=ΔP1

(15)

將S1=(15/16)S代入式(15)，可求出ΔP1=4.5kPa。運(yùn)行水阻較改進(jìn)前增加1.5kPa，仍在可接受的范圍內(nèi)(技術(shù)規(guī)格書中要求濾網(wǎng)設(shè)計(jì)水阻小于4.9kPa)，可以滿足機(jī)組滿功率運(yùn)行對(duì)冷卻水量的需求?？紤]運(yùn)行機(jī)組濾網(wǎng)的外部接口尺寸及基礎(chǔ)改變困難，不方便增大二次濾網(wǎng)的直徑，后續(xù)新建機(jī)組可作進(jìn)一步優(yōu)化，將二次濾網(wǎng)的直徑適當(dāng)增大，以達(dá)到降低水阻的目的。

二次濾網(wǎng)排污斗采用雙懸臂對(duì)稱布置后，濾網(wǎng)壓差所產(chǎn)生的力完全作用于推力軸承上，減速機(jī)法蘭螺栓不再有剪切力作用，可以避免減速機(jī)法蘭螺栓斷裂故障的發(fā)生，另處減速機(jī)法蘭處增加了2個(gè)彈簧銷，提高了抗剪能力；螺栓由原來的M8變更為M10，提高螺栓的承載能力，大大提高了減速機(jī)的可靠性；二次濾網(wǎng)隔倉由原來的16個(gè)增加到24個(gè)后，網(wǎng)片的弧長縮到原來的67%，網(wǎng)片的剛度及支撐強(qiáng)度將相應(yīng)提高；改進(jìn)后的二次濾網(wǎng)在迎水面設(shè)計(jì)有支撐加強(qiáng)筋，提高網(wǎng)片抗疲勞斷裂的能力；將網(wǎng)片厚度由2mm增加到3mm，網(wǎng)片的承載能力有所提高，因此改進(jìn)后的二次濾網(wǎng)網(wǎng)片發(fā)生破損的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

5 結(jié)束語

隨機(jī)組功率的增加，循環(huán)水的流量在增大，二次濾網(wǎng)的直徑增大，排污斗的長度及面積增大，作用在主軸上的外力矩增加較多，因此在百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組仍然用這種單懸臂結(jié)構(gòu)的排污斗設(shè)計(jì)已不能滿足二次濾網(wǎng)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。目前運(yùn)行的核電廠中已有多臺(tái)二次濾網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重故障，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來較大的影響，迫切需要對(duì)二次濾網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，分析目前核電機(jī)組配合的單懸臂結(jié)構(gòu)二次濾網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)故障的根本原因是濾網(wǎng)壓差作用在排污斗上的不平衡力所導(dǎo)致，而采用排污斗對(duì)稱布置的雙懸臂結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，可消除減速機(jī)法蘭螺栓斷裂故障、降低減速傘齒輪的磨損、降低主軸包密封格萊圈的磨損、降低接污斗耐磨板的磨損、防止濾網(wǎng)網(wǎng)片破損，降低了二次濾網(wǎng)的故障率，大幅提高了二次濾網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。隨著機(jī)組容量的增大，這種雙懸臂結(jié)構(gòu)二次濾網(wǎng)將會(huì)在工程中得到普遍應(yīng)用。