百萬千瓦級核電廠海水循環系統某國產二次濾網網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)

凝汽器循環水冷卻系統主管道設置有筒型過濾器(以下簡稱二次濾網)，二次濾網由濾水機構、排污機構、驅動機構、控制單元、操作單元、保護裝置、犧牲陽極保護七部分組成。二次濾網網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。

國產某型號二次濾網網片使用壽命較短，機組功率運行期間發生多起網片破損。經調查，在相同的工藝系統條件下，國產二次濾網網片使用壽命小于3年，遠低于國外進口網片。本研究通過對國產二次濾網網片進行顯微鏡、光譜檢查和模擬分析，確認二次濾網網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網片的使用壽命，達到電廠降本增效的經營需求。

1 網片失效調查

1.1 二次濾網及網片設計概述

(1)濾網技術參數

核電廠自動反洗循環水二次濾網采用臥式/立式布置于循環水主管道中，并與管道采用法蘭連接，用于過濾循環冷卻水，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。循環水系統進口壓力為0.3 MPa.g，設計循環水溫度為20 ℃，最高設計溫度為33 ℃。二次濾網本體主要設計技術參數如表1所示。

表1 二次濾網本體主要技術參數Toble 1 Technical parameters of secondary filter

(2)二次濾網設計結構

二次濾網本體主要結構如圖1所示，主要由筒體、網芯、排污機構構成，其中網芯為隔倉式布置，每個隔倉安裝有可拆卸式的弧形網片。

圖1 二次濾網外形圖Fig.1 Outline drawing of secondary filter

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

二次濾網網片主要設計技術參數如表2所示。

(3)二次濾網網片使用壽命說明

國內某核電廠有4臺百萬千瓦級核電機組運行，其中2臺機組海水循環系統過濾器采用國外進口網片，2臺機組海水循環系統過濾器采用國產網片。經對比分析，機組首次發現過濾器網片破損問題時間對比如表3所示。

表3 機組首次發現過濾器網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 失效網片樣品收集

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

圖3 二次濾網網片實物圖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，提取了未破損網片，縱向撕裂網片、頭部開裂和尾部開裂網片各一片，并針對整體縱向撕裂最嚴重的網片進行了重點微觀檢查。

破損的網片失效情況如下：網片邊緣和網孔區域從網片尾部為初始撕裂點，裂口直至網片頭部；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。網孔區域大部分孔橋出現較深裂痕，多處孔橋存在斷裂情況。

2 網片失效原因測試及分析

針對收集的失效網片進行幾何參數核查、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網片開裂原因進行了綜合評估，如圖4所示。

圖4 二次濾網網片開裂情況示意圖Fig.4 Secondary filter mesh cracking

2.1 幾何參數核查

(1)幾何參數核查過程

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

圖5 二次濾網網片尺寸測量示意圖Fig.5 Measurement of mesh size of secondary filter screen

(2)幾何參數核查結果分析

二次濾網網片厚度滿足設計要求，網孔開孔尺寸基本滿足精度要求，孔橋寬度整體尺寸較設計基準偏小，故孔橋尺寸偏差是造成二次濾網網孔開裂的重要原因之一。

2.2 體視核查

(1)未開裂網孔區體視檢查

利用蔡司體視顯微鏡對二次濾網網孔區開孔進行外觀顯微觀察，發現網孔區域普遍存在明顯的飛邊、毛刺及細小缺口，網孔內表面有明顯沿著網孔法線方向的開裂痕跡，如圖6所示。

圖6 二次濾網網片未開裂開孔區顯微圖Fig.6 Uncracked opening area of secondary filter screen

(2)開裂網孔區體視檢查

利用蔡司體視顯微鏡對網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，如圖7所示。部分網孔區開裂斷面存在磨損、扭轉變形痕跡、圓孔內表面基本都存在一條幾乎貫穿網孔厚度方向的裂紋。

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

(3)網孔區體視檢查結果分析

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

圖8 網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網片化學成分并對比ASTM-240 M標準，如表4所示。

表4 二次濾網網片化學成分對比Table 4 Comparison of chemical composition of secondary filter mesh

結論：二次濾網網片成分滿足標準要求。

2.4 金相檢驗

依據標準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，結果顯示，二次濾網網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 網片金相組織示意圖Fig.9 Schematic diagram of metallographic structure

2.5 拉伸試驗

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

表5 二次濾網網片拉伸試驗對比Table 5 Comparison of tensile test of secondary filter mesh

2.6 網片受力分析

(1)網片應力計算

單個網片幾何模型如圖10所示，利用workbench靜力學分析模塊進行求解網板上的應力分布。根據二次濾網本體的實際運行工況，設定對網片迎水面分別施加10 kPa清潔壓差、45 kPa濾網反洗啟動壓差、86 kPa濾網堵塞極限壓差進行分析，對網片的22個固定螺栓孔施加固定約束，如圖11所示。

圖10 網片幾何模型Fig.10 Mesh geometry model

圖11 網片應力分布Fig.11 Stress distribution of mesh

根據求解應力分布圖可知，網片最大應力點出現在網片固定螺栓孔附近，網孔區最大應力點出現在網片尾部網孔區域與網片邊緣交界面上，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，網片受到海水的沖擊時，網片中間區域向背水側移動，網片兩側向圓弧網片中間移動，網片尾部的變形量比網片的頭部變形量要大，如圖13所示。

圖13 網片變形示意圖Fig.13 Mesh deformation diagram

(2)網片開裂力學計算結論

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

(3)網片開裂原因分析結論

通過對某國產二次濾網網片進行微觀檢查、成分分析和建模應力分析，得出網片開裂失效原因如下：

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

2)孔橋實際加工尺寸偏小，強度不足；

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

4)網片背水側弧形支撐布置不合理，部分支撐與網片間隙較大，未起到支撐作用。

3 網片可靠性提升措施

3.1 網片結構改進

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

優化二次濾網網片尾部設計，增加圓鋼支撐用于抵消網片尾部變形，提升網片尾部強度；網孔區增加T型盲孔區，提升網片整體強度，優化網片應力分布。

3.2 網片安裝質量提升

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

圖14 網片弧形支撐工裝示意圖Fig.14 Schematic diagram of arc support tooling

3.3 網片網孔加工工藝改進

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

激光鉆孔是可以應用于網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，能夠實現網孔加工斷面的高質量和高穩定性，同時確保了網片加工效率，適合大批量生產。

4 結論

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