凝汽器二次濾網(wǎng)網(wǎng)片破損分析與處理

張曉光，劉 強(qiáng)

(1.中核(上海)供應(yīng)鏈管理有限公司，上海 200233；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

1 概述

1.1 二次濾網(wǎng)介紹

二次濾網(wǎng)，是凝汽器的一個(gè)重要組成部分，其作用是濾除冷卻水雜物，以確保凝汽器傳熱管的完好。二次濾網(wǎng)采用機(jī)械過(guò)濾方式，通過(guò)大面積、低阻力的過(guò)濾網(wǎng)格，將較大的固體顆粒過(guò)濾掉，并通過(guò)排污管線排出。其濾網(wǎng)單元，即網(wǎng)片采用扇形圓弧狀設(shè)計(jì)，有利于雜物的收集，同時(shí)減緩水流沖擊，如圖1所示。

圖1 二次濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

在能源、化工、制藥等行業(yè)中使用的許多傳統(tǒng)型蒸汽發(fā)電裝置都需要借助于凝汽器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的回收和利用，同時(shí)又需保證設(shè)備良好的運(yùn)作狀態(tài)和操作安全。凝汽器二次濾網(wǎng)的應(yīng)用，則有利于保障凝汽器設(shè)備的長(zhǎng)期完好運(yùn)行。

1.2 二次濾網(wǎng)網(wǎng)片典型故障

二次濾網(wǎng)網(wǎng)片破損原因一般有以下幾方面：

1)材料質(zhì)量問(wèn)題：網(wǎng)片制作材料不好，可能存在缺陷或者過(guò)于脆弱易碎，這樣容易發(fā)生網(wǎng)片破損或掉落。

2)設(shè)計(jì)問(wèn)題：如果二次濾網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理，網(wǎng)片表面積小、網(wǎng)格過(guò)細(xì)、過(guò)于卡緊或壓力不平衡等都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)片在長(zhǎng)期使用中出現(xiàn)破損、損壞情況。

3)操作維護(hù)不當(dāng)：二次濾網(wǎng)長(zhǎng)期使用后可能會(huì)沉積物殘?jiān)蚱渌s質(zhì)，如不能定期進(jìn)行清理，就難以確保其正常工作，也可能加劇網(wǎng)片的破損。

4)外部環(huán)境影響：二次濾網(wǎng)使用環(huán)境可能存在較高溫度、潮濕、腐蝕和震動(dòng)等不利因素，這些因素都可能直接或間接引起網(wǎng)片的破損。

因此，對(duì)于凝汽器二次濾網(wǎng)網(wǎng)片破損，需要尋找并針對(duì)具體破損原因來(lái)進(jìn)行分析處理，以及為進(jìn)一步提高其使用壽命與效果建立相應(yīng)的預(yù)防措施。

1.3 案例介紹

某核電廠二次濾網(wǎng)運(yùn)行3年后，出現(xiàn)網(wǎng)片大面積破損現(xiàn)象，對(duì)凝汽器傳熱管產(chǎn)生不同程度的損傷。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，破損位置為網(wǎng)片相鄰濾孔連接處(以下簡(jiǎn)稱孔間筋)，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)片孔間筋

孔間筋受海水長(zhǎng)期沖刷，均存在減薄情況，如圖3所示，強(qiáng)度下降導(dǎo)致斷裂。

圖3 網(wǎng)片孔間筋減薄情況

2 網(wǎng)片破損原因分析

針對(duì)前文案例中二次濾網(wǎng)網(wǎng)片破損進(jìn)行原因分析。

2.1 材料分析

二次濾網(wǎng)網(wǎng)片材質(zhì)為2205雙相不銹鋼，2205雙相不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性，特別是對(duì)海水腐蝕的抗力更加突出。它可以在高鹽度和酸堿環(huán)境下工作而不損失其基本物理性能，并且不會(huì)出現(xiàn)均勻腐蝕。同時(shí)2205雙相不銹鋼含有較高的鉻、鉬等元素，具有較好的強(qiáng)度和韌性。在海洋環(huán)境中使用時(shí)，2205雙相不銹鋼能夠有效地抵御海水沖刷。

海水系統(tǒng)設(shè)備過(guò)流部件一般都使用2205雙相不銹鋼，如葉輪、閥芯等，另其他海水過(guò)濾設(shè)備網(wǎng)片均使用該材質(zhì)。因此在網(wǎng)片選材上符合海水工況要求。

2.2 水質(zhì)分析

該核電廠所處海域沉積的主要物質(zhì)是泥沙，受此影響，海域內(nèi)沉積大于侵蝕，泥沙以粉砂、黏土質(zhì)粉砂為主。一般來(lái)說(shuō)，近底部水域會(huì)有更多的泥沙沉積，而在離底部較遠(yuǎn)的水層，泥沙懸浮的比例會(huì)更高。但該海域泥沙沉積量大，這些沉積泥沙在潮汐作用下持續(xù)波動(dòng)攪拌，使海域垂線方向泥沙較均勻分布。

海域最大含沙量7.42 kg/m3，平均含沙量4.4 kg/m3，粒徑0.01～0.025 mm，硬度較低。在水流中泥沙對(duì)雙相不銹鋼表面進(jìn)行沖刷時(shí)，通常對(duì)其材料造成的影響較小。但在流速較高、顆粒濃度較大等情況下，泥沙會(huì)對(duì)雙相不銹鋼表面造成形態(tài)和物理性能上的影響：泥沙顆粒與雙相不銹鋼表面摩擦過(guò)程中，導(dǎo)致表面磨損及金屬硬度提高，金屬硬度的提高可能會(huì)導(dǎo)致其變得更脆。

從圖3所示網(wǎng)片碎片可看出，孔間筋均存在沖蝕槽，符合泥沙沖刷金屬特征?？组g筋厚2 mm，寬1 mm，在出現(xiàn)沖蝕痕跡后極易斷裂，造成網(wǎng)片大面積破損。

2.3 設(shè)計(jì)分析

由于水流沖擊和壓力的作用，二次濾網(wǎng)網(wǎng)片容易變形和產(chǎn)生疲勞裂紋，這在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)逐漸積累。為應(yīng)對(duì)水流對(duì)網(wǎng)片的沖擊，在網(wǎng)片背側(cè)設(shè)計(jì)了與網(wǎng)片弧度一致的支撐板，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)片支撐板實(shí)物圖

支撐板由大到小共3片，支撐板固定在網(wǎng)片的背面，支撐板與網(wǎng)片貼合，可以提供均勻的支撐和壓力，使得網(wǎng)片不會(huì)變形或破裂。這樣剛性的背側(cè)支撐板可確保網(wǎng)片穩(wěn)定地在濾網(wǎng)框架上運(yùn)行。

在拆解二次濾網(wǎng)網(wǎng)片時(shí)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)片的支撐板對(duì)應(yīng)位置有明顯磨痕，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)片磨損位置

因網(wǎng)片與支撐板貼合，二次濾網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，由于水流沖擊、振動(dòng)等原因，導(dǎo)致二次濾網(wǎng)網(wǎng)片與其背側(cè)支撐板碰磨，網(wǎng)片及支撐板均產(chǎn)生磨損，如圖6所示。該位置在長(zhǎng)時(shí)間的摩擦作用下，逐漸失去強(qiáng)度，降低整個(gè)二次濾網(wǎng)的使用壽命。另外受海水泥沙含量高的影響，在網(wǎng)片與支撐板磨損初期產(chǎn)生較大間隙后，細(xì)小泥沙會(huì)隨水流進(jìn)入兩者間隙，持續(xù)對(duì)網(wǎng)片及支撐板產(chǎn)生沖刷、摩擦，加速了網(wǎng)片孔間筋磨損的速度。盡管該位置的磨損未導(dǎo)致網(wǎng)片破損，但長(zhǎng)期運(yùn)行必然導(dǎo)致其強(qiáng)度下降最終開裂。

2.4 安裝過(guò)程分析

在安裝網(wǎng)片過(guò)程中，網(wǎng)片應(yīng)與支撐板完全貼合，減少水流沖擊下網(wǎng)片的振動(dòng)，如產(chǎn)生間隙，振動(dòng)帶來(lái)的磨損與泥沙造成的磨損會(huì)使網(wǎng)片加速發(fā)生斷裂。因此網(wǎng)片安裝質(zhì)量也是穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。

經(jīng)查閱電廠相關(guān)維修規(guī)程，在網(wǎng)片與支撐板貼合方面沒(méi)有具體要求，對(duì)歷次二次濾網(wǎng)檢修負(fù)責(zé)人進(jìn)行采訪中得知，該位置是否完全貼合并沒(méi)有關(guān)注。由此可見，不完善的安裝過(guò)程，促成了網(wǎng)片加速破損。

3 網(wǎng)片破損問(wèn)題處理

核電廠通常換料周期為18個(gè)月，為確保設(shè)備安全、可靠性，換料期間同時(shí)進(jìn)行電廠大修工作，拆解部分設(shè)備或系統(tǒng)，修復(fù)磨損和受損的部件，并對(duì)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和驗(yàn)證。

根據(jù)網(wǎng)片破損原因分析結(jié)果，結(jié)合電廠實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片進(jìn)行相應(yīng)改造工作，旨在解決一個(gè)燃料運(yùn)行周期內(nèi)出現(xiàn)網(wǎng)片破碎導(dǎo)致凝汽器傳熱管受損的問(wèn)題，利用電廠大修繼續(xù)停運(yùn)期間更換二次濾網(wǎng)網(wǎng)片。

3.1 緩解泥沙沖刷

針對(duì)網(wǎng)片孔間筋易受泥沙沖刷減薄，將網(wǎng)片厚度增加，同時(shí)增加孔間筋寬度，減少因沖刷減薄帶來(lái)的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

二次濾網(wǎng)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)直接影響設(shè)備本體的使用壽命以及下游凝汽器傳熱管的安全性。

過(guò)濾精度，即濾孔直徑，濾孔直徑越小，可過(guò)濾出的雜質(zhì)就會(huì)越小，保護(hù)效果也會(huì)更好。但濾孔直徑過(guò)小會(huì)增大水流阻力，水阻過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾效果和設(shè)備穩(wěn)定性降低，還可能引起二次濾網(wǎng)堵塞或壓力升高等問(wèn)題，從而對(duì)工藝安全和設(shè)備壽命造成威脅。

通流面積是指二次濾網(wǎng)有效面積大小，也稱為過(guò)濾面積。通流面積越大，則通過(guò)凝汽器二次濾網(wǎng)的流量越大，阻力越小。

3.1.1 原網(wǎng)片水阻計(jì)算

由設(shè)計(jì)圖紙可知，網(wǎng)片的流水孔直徑為d0=5 mm，孔心距為P1=6 mm。網(wǎng)片兩端預(yù)留寬度dt1=40 mm區(qū)域不開孔，網(wǎng)片頂端底端各預(yù)留高度t2=8 mm區(qū)域不開孔。網(wǎng)片半徑R=1 400 mm，二次濾網(wǎng)主軸半徑r=95 mm。網(wǎng)片展開尺寸如圖7所示。已知循環(huán)水泵出口流量Q=95 868 m3/h，對(duì)應(yīng)兩臺(tái)二次濾網(wǎng)，每臺(tái)二次濾網(wǎng)均布12片網(wǎng)片。輔助過(guò)濾系統(tǒng)流量Q1=4 000 m3/h。海水密度ρ=1.03 g/cm3。基于以上數(shù)據(jù)計(jì)算網(wǎng)片水阻。

圖7 網(wǎng)片尺寸示意圖

單孔流通面積：

=1.962 5×10-5m2

網(wǎng)孔總面積：

=0.511 m2

兩端不開孔區(qū)域面積：

S1=(R-r-2t2)×2t1

=(1.4-0.095-2×0.008)×2×0.04

=0.103 1 m2

頂端不開孔區(qū)域面積：

=0.005 8 m2

低端不開孔區(qū)域面積：

=0.000 4 m2

開孔區(qū)域面積：

S0=S-S1-S2-S3

=0.511-0.103 1-0.005 8-0.000 4

=0.401 7 m2

開孔數(shù)量：

開孔總面積：

F0=f0N=1.962 5×10-5×11 158=0.219 m2

流通面積占比：

過(guò)孔流速：

=4.86 m/s

阻力系數(shù)[1]：

=1.069 6

水阻：

=13.011 kPa

經(jīng)過(guò)計(jì)算，二次濾網(wǎng)網(wǎng)片水阻約13 kPa，低于設(shè)計(jì)要求最大水阻20 kPa。根據(jù)二次濾網(wǎng)制造商三種網(wǎng)片產(chǎn)品的網(wǎng)孔尺寸：孔徑5 mm，孔心距6 mm；孔徑6 mm，孔心距7.4 mm；孔徑8 mm，孔心距10.2 mm，并充分考慮孔徑大小對(duì)凝汽器傳熱管產(chǎn)生的影響，擬選用孔徑為6 mm的網(wǎng)片。

3.1.2 新網(wǎng)片水阻計(jì)算

新網(wǎng)片的流水孔直徑為d0n=6 mm，孔心距為P1n=7.4 mm，其余參數(shù)不變，沿用3.1.1節(jié)中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

單孔流通面積：

網(wǎng)孔總面積：

Sn=S=0.511 m2

兩端不開孔區(qū)域面積：

S1n=S1=0.103 1 m2

頂端不開孔區(qū)域面積：

S2n=S2=0.005 8 m2

低端不開孔區(qū)域面積：

S3n=S3=0.000 4 m2

開孔區(qū)域面積：

S0n=S0=0.401 7 m2

開孔數(shù)量：

=7 335

開孔總面積：

F0n=f0nNn=2.826×10-5×7 335

=0.207 m2

流通面積占比：

過(guò)孔流速：

阻力系數(shù)[1]：

=1.127 3

水阻：

=15.335 kPa

由此可見，新網(wǎng)片水阻ΔP0n=15.335 kPa較原網(wǎng)片水阻ΔP0=13.011 kPa增加約2 kPa，但仍滿足設(shè)計(jì)要求。在此尺寸下，孔間筋由1 mm增加至1.4 mm，以達(dá)到減緩泥沙沖刷的目的。另外，將網(wǎng)片厚度增至3 mm，提高網(wǎng)片整體強(qiáng)度。最終確定的原網(wǎng)片與新網(wǎng)片參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 網(wǎng)片參數(shù)對(duì)比

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

考慮到支撐板的作用是緩解網(wǎng)片受力，網(wǎng)片與其接觸的位置介質(zhì)無(wú)法通過(guò)，因此對(duì)網(wǎng)片進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，將網(wǎng)片對(duì)應(yīng)支撐板位置改為不開孔的方式設(shè)計(jì)，如圖8所示，增大與支撐板的接觸面積，更好地起到支撐作用，同時(shí)網(wǎng)片該位置無(wú)介質(zhì)通過(guò)，不開孔的設(shè)計(jì)不會(huì)影響到網(wǎng)片通流面積。

圖8 新老網(wǎng)片對(duì)比

4 處理效果評(píng)價(jià)

利用核電廠換料大修窗口，對(duì)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片進(jìn)行更新?lián)Q代，更換網(wǎng)片后，二次濾網(wǎng)與凝汽器各運(yùn)行參數(shù)正常穩(wěn)定。運(yùn)行一個(gè)燃料周期后，檢查二次濾網(wǎng)網(wǎng)片狀態(tài)完好，如圖9所示，孔間筋未見明顯沖蝕槽，網(wǎng)片與支撐板貼合緊密，未見磨損現(xiàn)象，證明了分析的準(zhǔn)確性和網(wǎng)片優(yōu)化改造的成功性。

圖9 新網(wǎng)片使用18個(gè)月后效果圖

5 結(jié)論與建議

本文基于網(wǎng)片破損加以原因分析，通過(guò)對(duì)網(wǎng)片實(shí)施技改進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，二次濾網(wǎng)網(wǎng)片破損現(xiàn)象得到有效控制。綜合考慮結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等因素，二次濾網(wǎng)網(wǎng)片仍有很大優(yōu)化空間。

本次技改僅針對(duì)網(wǎng)片本體進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)前文描述，網(wǎng)片與支撐板接觸位置采用不開孔設(shè)計(jì)，防止支撐板對(duì)網(wǎng)孔持續(xù)碰磨。支撐板作為支撐網(wǎng)片的部件，盡管網(wǎng)片對(duì)應(yīng)位置不開孔，但在水流作用下，網(wǎng)片與支撐板仍有碰磨發(fā)生，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行依然存在網(wǎng)片破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

后續(xù)可對(duì)支撐板進(jìn)行優(yōu)化研究：

1)常規(guī)支撐板采用直角設(shè)計(jì)，直角部位對(duì)網(wǎng)片的磨損起到關(guān)鍵貢獻(xiàn)，因此可采用圓角設(shè)計(jì)或平滑過(guò)渡設(shè)計(jì)，通過(guò)過(guò)渡半徑與過(guò)渡長(zhǎng)度等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，緩解兩者之間的摩擦。

2)使用含有固體潤(rùn)滑顆粒的涂層，降低支撐板表面摩擦系數(shù)。

3)通過(guò)表面處理技術(shù)，改善支撐板光潔度，減小表面的微觀不平整可降低磨損，增加支撐板耐磨性。

網(wǎng)片對(duì)應(yīng)支撐板不開孔位置同樣可以進(jìn)行涂層或表面處理技術(shù)來(lái)降低磨損。

在網(wǎng)片安裝過(guò)程中，需關(guān)注網(wǎng)片與支撐板貼合程度，只有嚴(yán)密地貼合，網(wǎng)片在水流沖擊下才不會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，避免網(wǎng)片與支撐板之間的碰磨，同時(shí)降低泥沙等細(xì)小顆粒進(jìn)入間隙對(duì)網(wǎng)片磨損的概率，從而減少非預(yù)期的網(wǎng)片破損情況。

電廠運(yùn)行期間，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視二次濾網(wǎng)壓差參數(shù)，壓差的突然降低或持續(xù)低，說(shuō)明二次濾網(wǎng)網(wǎng)片存在破損現(xiàn)象，需要進(jìn)一步關(guān)注處理。另關(guān)注凝汽器水質(zhì)參數(shù)，如鈉離子含量、電導(dǎo)率等。水質(zhì)參數(shù)出現(xiàn)異常，則有可能因二次濾網(wǎng)網(wǎng)片破損造成凝汽器傳熱管破損，海水進(jìn)入凝汽器使水質(zhì)參數(shù)發(fā)生變化。

在電廠停機(jī)檢修時(shí)，關(guān)注二次濾網(wǎng)網(wǎng)片孔間筋沖蝕情況，若出現(xiàn)明顯減薄，則應(yīng)更換網(wǎng)片以確保下一運(yùn)行周期的可靠性。同時(shí)關(guān)注支撐板磨損情況，在出現(xiàn)支撐板與網(wǎng)片貼合不牢或存在較大間隙時(shí)應(yīng)及時(shí)更換支撐板，或?qū)χ伟暹M(jìn)行打磨處理，防止網(wǎng)片與支撐板之間的碰磨加劇。

根據(jù)電廠自身運(yùn)行工況、水質(zhì)等特點(diǎn)，建立相應(yīng)的預(yù)防性維修手段，降低二次濾網(wǎng)網(wǎng)片破損風(fēng)險(xiǎn)，提升二次濾網(wǎng)設(shè)備可靠性，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。