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(shè)置有筒型過(guò)濾器(以下簡(jiǎn)稱二次濾網(wǎng))，二次濾網(wǎng)由濾水機(jī)構(gòu)、排污機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制單元、操作單元、保護(hù)裝置、犧牲陽(yáng)極保護(hù)七部分組成。二次濾網(wǎng)網(wǎng)片是過(guò)濾器濾水機(jī)構(gòu)最重要的部件，在機(jī)組功率運(yùn)行期間發(fā)生破損將形成異物，劃傷凝汽器鈦管風(fēng)險(xiǎn)較大，造成機(jī)組較大功率波動(dòng)。

國(guó)產(chǎn)某型號(hào)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片使用壽命較短，機(jī)組功率運(yùn)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(guó)產(chǎn)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片使用壽命小于3年，遠(yuǎn)低于國(guó)外進(jìn)口網(wǎng)片。本研究通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片進(jìn)行顯微鏡、光譜檢查和模擬分析，確認(rèn)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片壽命周期短的主要原因，并通過(guò)制定可靠性提升措施有效延長(zhǎng)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片的使用壽命，達(dá)到電廠降本增效的經(jīng)營(yíng)需求。

1 網(wǎng)片失效調(diào)查

1.1 二次濾網(wǎng)及網(wǎng)片設(shè)計(jì)概述

(1)濾網(wǎng)技術(shù)參數(shù)

核電廠自動(dòng)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(guò)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(yùn)行條件，延長(zhǎng)機(jī)組壽命。循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)口壓力為0.3 MPa.g，設(shè)計(jì)循環(huán)水溫度為20 ℃，最高設(shè)計(jì)溫度為33 ℃。二次濾網(wǎng)本體主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

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

(2)二次濾網(wǎng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

二次濾網(wǎng)本體主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由筒體、網(wǎng)芯、排污機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其中網(wǎng)芯為隔倉(cāng)式布置，每個(gè)隔倉(cāng)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(guò)加工網(wǎng)孔及螺栓孔后再經(jīng)過(guò)成型工裝一次彎曲成型。網(wǎng)片兩側(cè)有22個(gè)螺栓孔，網(wǎng)片通過(guò)螺栓孔方便的安裝和拆卸，同時(shí)在每個(gè)網(wǎng)片的背水側(cè)布置2個(gè)弧形支撐板貼合并支撐網(wǎng)片。

二次濾網(wǎng)網(wǎng)片主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

(3)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片使用壽命說(shuō)明

國(guó)內(nèi)某核電廠有4臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組運(yùn)行，其中2臺(tái)機(jī)組海水循環(huán)系統(tǒng)過(guò)濾器采用國(guó)外進(jìn)口網(wǎng)片，2臺(tái)機(jī)組海水循環(huán)系統(tǒng)過(guò)濾器采用國(guó)產(chǎn)網(wǎng)片。經(jīng)對(duì)比分析，機(jī)組首次發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器網(wǎng)片破損問(wèn)題時(shí)間對(duì)比如表3所示。

表3 機(jī)組首次發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器網(wǎng)片破損問(wèn)題時(shí)間對(duì)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(méi)有網(wǎng)孔區(qū)域?yàn)檫吘?，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(kāi)孔區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)孔區(qū)。如圖3所示。

圖3 二次濾網(wǎng)網(wǎng)片實(shí)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(kāi)裂和尾部開(kāi)裂網(wǎng)片各一片，并針對(duì)整體縱向撕裂最嚴(yán)重的網(wǎng)片進(jìn)行了重點(diǎn)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(diǎn)，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(cè)試及分析

針對(duì)收集的失效網(wǎng)片進(jìn)行幾何參數(shù)核查、體視檢查、成分分析、金相檢驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)及應(yīng)力分析計(jì)算對(duì)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片開(kāi)裂原因進(jìn)行了綜合評(píng)估，如圖4所示。

圖4 二次濾網(wǎng)網(wǎng)片開(kāi)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(guò)程

通過(guò)對(duì)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片的壁厚、孔距、孔橋尺寸進(jìn)行測(cè)量，網(wǎng)片實(shí)測(cè)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(cè)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(shè)計(jì)要求，網(wǎng)孔開(kāi)孔尺寸基本滿足精度要求，孔橋?qū)挾日w尺寸較設(shè)計(jì)基準(zhǔn)偏小，故孔橋尺寸偏差是造成二次濾網(wǎng)網(wǎng)孔開(kāi)裂的重要原因之一。

2.2 體視核查

(1)未開(kāi)裂網(wǎng)孔區(qū)體視檢查

利用蔡司體視顯微鏡對(duì)二次濾網(wǎng)網(wǎng)孔區(qū)開(kāi)孔進(jìn)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(xì)小缺口，網(wǎng)孔內(nèi)表面有明顯沿著網(wǎng)孔法線方向的開(kāi)裂痕跡，如圖6所示。

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

(2)開(kāi)裂網(wǎng)孔區(qū)體視檢查

利用蔡司體視顯微鏡對(duì)網(wǎng)片多處孔橋斷口進(jìn)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(kāi)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(kāi)孔區(qū)截?cái)嗝嫘蚊诧@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(kāi)孔后彎曲成型，網(wǎng)片存在較大的殘余應(yīng)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(yùn)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(dòng)進(jìn)而出現(xiàn)變形和開(kāi)裂，如圖8所示。

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

2.3 成分分析

通過(guò)直讀光譜儀檢測(cè)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片化學(xué)成分并對(duì)比ASTM-240 M標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。

表4 二次濾網(wǎng)網(wǎng)片化學(xué)成分對(duì)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(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 金相檢驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)金屬顯微組織進(jìn)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(xiàng)組織各約占50%，滿足S32205金相組織標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第一部分：室溫拉伸方法》，檢測(cè)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如表5所示，網(wǎng)片的材料拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 二次濾網(wǎng)網(wǎng)片拉伸試驗(yàn)對(duì)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(yīng)力計(jì)算

單個(gè)網(wǎng)片幾何模型如圖10所示，利用workbench靜力學(xué)分析模塊進(jìn)行求解網(wǎng)板上的應(yīng)力分布。根據(jù)二次濾網(wǎng)本體的實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)定對(duì)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(dòng)壓差、86 kPa濾網(wǎng)堵塞極限壓差進(jìn)行分析，對(duì)網(wǎng)片的22個(gè)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(yīng)力分布Fig.11 Stress distribution of mesh

根據(jù)求解應(yīng)力分布圖可知，網(wǎng)片最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在網(wǎng)片固定螺栓孔附近，網(wǎng)孔區(qū)最大應(yīng)力點(diǎn)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(yīng)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(yīng)力值也隨之增大。

圖12 孔橋應(yīng)力分布Fig.12 Stress distribution of span bridge

在實(shí)際運(yùn)行工況下，網(wǎng)片受到海水的沖擊時(shí)，網(wǎng)片中間區(qū)域向背水側(cè)移動(dòng)，網(wǎng)片兩側(cè)向圓弧網(wǎng)片中間移動(dòng)，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(kāi)裂力學(xué)計(jì)算結(jié)論

在同一位置，網(wǎng)片背水面的應(yīng)力相較迎水面應(yīng)力值大，網(wǎng)片實(shí)際開(kāi)裂起始點(diǎn)與應(yīng)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(kāi)裂的促成原因，尺寸越小，網(wǎng)片邊緣應(yīng)力越大，網(wǎng)片越容易開(kāi)裂。

(3)網(wǎng)片開(kāi)裂原因分析結(jié)論

通過(guò)對(duì)某國(guó)產(chǎn)二次濾網(wǎng)網(wǎng)片進(jìn)行微觀檢查、成分分析和建模應(yīng)力分析，得出網(wǎng)片開(kāi)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(guò)多，存在細(xì)微的缺陷，這些缺陷是網(wǎng)片開(kāi)裂的起始點(diǎn)；

2)孔橋?qū)嶋H加工尺寸偏小，強(qiáng)度不足；

3)邊緣孔橋布置不合理，網(wǎng)片邊緣與開(kāi)孔區(qū)的分界線幾乎為一條直線，一旦網(wǎng)片從尾部開(kāi)始發(fā)生開(kāi)裂異常，容易從網(wǎng)片尾部開(kāi)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(gòu)改進(jìn)

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

優(yōu)化二次濾網(wǎng)網(wǎng)片尾部設(shè)計(jì)，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(qiáng)度；網(wǎng)孔區(qū)增加T型盲孔區(qū)，提升網(wǎng)片整體強(qiáng)度，優(yōu)化網(wǎng)片應(yīng)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(shè)置兩道弧形支撐，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(guò)設(shè)計(jì)夾具工裝固定弧形支撐再進(jìn)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(jìn)

確保網(wǎng)孔加工效率的基礎(chǔ)上減少網(wǎng)片開(kāi)裂起始點(diǎn)，是設(shè)備制造企業(yè)目前需要解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的沖孔機(jī)械加工工藝容易對(duì)網(wǎng)片材料本身組織產(chǎn)生機(jī)械損傷，形成細(xì)微裂紋和應(yīng)力，不利于網(wǎng)片長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

激光鉆孔是可以應(yīng)用于網(wǎng)片加工制造的新工藝，通過(guò)嚴(yán)格的精度控制(±0.0254 mm)和氣體保護(hù)、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(shí)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(guò)制定網(wǎng)片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、安裝質(zhì)量?jī)?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(guān)方向，消除或大幅度減少網(wǎng)片開(kāi)裂起始點(diǎn)。