某型核島除鹽器濾頭國產化開發研究分析

易學靜

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518124）

1 引言

在壓水堆核電站建設中，核電站的水處理設備除鹽器（陰床、陽床、混床）的進料口和出料口均安裝有濾頭裝置，用于阻止離子交換樹脂通過，但能使凈化后的水通過，以此來獲得凈水。核島核二、三級除鹽器需要用到一百多只同類型不同規格的濾頭。國內火電廠除鹽器上應用的濾頭裝置結構形式為繞絲型，該結構形式的濾頭濾管部分采用一根T型鋼絲螺旋繞制在若干根支撐筋上并進行點焊，繞絲和繞絲之間形成過流縫隙。繞絲型濾頭裝置在鋼絲繞制時需要點焊在支撐筋上，焊接變形大，焊點易腐蝕脫落，鋼絲強度低，易變形，鋼絲與鋼絲之間的縫隙難以控制，可靠性低，不適合應用于核電項目。

2 研發前景

在某項目之前的核電項目中，該類除鹽器所用的濾頭裝置為進口產品，結構形式為墊片式，由接管、上蓋、濾管、骨架、下蓋，以及螺柱、螺母、墊片等組成，骨架外的濾管由若干片相同結構的濾片疊加組合構成，每片的一面十字向均有相對稱的小凸臺，因而若干片疊加組合后在軸向形成四條筋、相鄰兩片之間沿圓周形成等距間隔的四條過水縫隙，這種疊片型濾頭裝置片與片之間的過水縫隙靠四個部位的小凸臺接觸控制形成，加工精度難以保證，因而過水縫隙有時偏大，有時偏小，易產生離子交換樹脂流失現象，嚴重影響凈化后的水質。

無論是國外疊片式濾頭還是國內的繞絲型濾頭，都存在一定的技術缺陷，因此，在國內研發一種更可靠，更安全的濾頭裝置取代國外濾頭產品勢在必行。

3 國產化進程

濾頭研發過程中充分考慮了核電設備的高可靠性要求，吸取疊片式濾頭和繞絲型濾頭的技術優點，完善其性能不足，提出合理化解決方案，新型濾頭由接管、上蓋、濾管、骨架、下蓋，以及螺柱、螺母、墊片等組成。關鍵在于濾管上的過流縫隙是線切割而成，縫隙與縫隙不相連，濾管在一定長度上為一整體結構。

通過上述技術方案可以看出，新型濾頭，強度高，無焊接變形，可通過數控機床精加工而成，縫隙均勻，精度高，水流縫隙得到保證。

3.1 設計方案

根據研發兩條主線的要求，首先對試驗用濾頭圖紙和PL核電第一批濾頭圖紙進行了設計。濾頭分進料濾頭和出料濾頭兩種，設計成型的進料濾頭結構如圖所示，濾頭由接管1、連接環2、濾管4、支撐架3、托板8，以及螺柱5、螺母6、墊片 7構成，接管1的一端焊接于連接環2上，濾管4中內襯支撐架3，濾管4、支撐架3固定于連接環2和托板8之間，并由螺柱5、螺母6、墊片7將濾管4、骨架3連接固定成整體結構。濾管4為整體結構，且沿圓周具有等距、一體的四條軸向隔離筋，隔離筋之間按規律排列若干過水縫隙。濾管4為一定長度時由兩段或兩段以上對應碰觸連接，每段為整體結構，各段濾管4在徑向上切割多道割縫形成過流縫隙，相鄰過流縫隙端具有隔離筋11，濾管4在軸向上切割多道割縫形成過流縫隙，割縫與割縫之間不相連。對應過流縫隙的濾管4外壁處加工有導流口。出料濾頭和進料濾頭的結構相似，兩者之間的區別是出料濾頭的導流口在濾管的內壁。

圖1 濾頭結構

圖2 濾頭三維效果圖

3.2 試驗方案

試驗內容為首先建立一個試驗回路。回路應由泵、閥門、壓力容器、測量儀表（壓力表、流量表、溫度計）等部件組成。在將容器內充各方向尺寸不得小于0.3mm的樹脂。試驗回路應保持溫度，流量35t/h，連續運行不小于24小時，再進行反沖洗試驗。試驗完成后，對濾頭進行外觀檢查。濾頭應無脫落變形、無跑漏樹脂等現象。

根據對濾頭功能性試驗的要求，濾頭供應商聯合相關廠家,討論可行的技術方案。該試驗的難點是：水溫達到110℃，已經超過了水的沸點，容易產生蒸汽。水溫110℃，蒸汽和高溫對所選擇的儀表也是一種考驗。經過綜合考慮，濾頭供應商提出功能性試驗方案，將整個回路密閉，通過提高壓力使得水的沸點升高，通過調節閥門排出熱膨脹的水。

試驗裝置的設計分為機械設計、電氣設計以及儀表設計三部分。機械設計主要完成試驗回路中的三個壓力容器（容器罐、加熱水箱、樹脂捕捉器）設計，回路管路鋪設，電氣設計主要完成電氣控制柜的設計，可對回路進行控制操作，儀控設計主要完成各個傳感器信號的采集，計算機記錄，顯示。

3.3 加工制造難點

3.3.1 管口變形控制

當濾頭供應商工人在給濾管下料時候，發現割斷的管口變成橢圓形，無法進一步進行加工。濾頭供應商立即組織人員對該現象進行技術分析，經過分析討論，認為由于鋼管的壁厚較薄，鋼管內部存在內應力，一旦切割就會釋放鋼管內部應力，使得鋼管管口變成橢圓形，無法進一步加工濾管。如何解決該問題，一是加厚管壁的厚度，留足夠加工余量，即使切割鋼管時有少許的應力變形現象，也可通過后期加工滿足尺寸要求，二是購買的管材必須經過固溶處理，最大限度消除內應力。最終采用定制的加厚鋼管加工，有效解決了此問題。

3.3.2 刀架變形控制

在鏜制濾頭內管壁的導流口時，濾頭供應商采用高精度數控鏜床加工。如果濾管較長，則由于鏜床刀架懸臂過長，會發生刀架受力變形現象，從而影響零件的精度。濾頭供應商發現此問題后，及時修正圖紙，將較長的濾管分成兩段加工，在組裝時候再將兩段濾管拼接成一根管，起到明顯效果。

濾管上的割縫精度是濾頭國產化研發是否成功的關鍵，濾頭供應商采用先進的線切割方法進行加工。經過大量反復試驗，經歷無數次失敗，不斷總結經驗，修正程序控制參數，終于找到一個令人滿意的加工工藝方法。濾管上的每個割縫采用線切割分三次切割成型，并且線切割鉬絲進絲方向保持一致，嚴格控制切割速度。這樣不但減小了機床的累計誤差，也保證了割縫的精度要求。

連接環零件的初始設計中間的支撐架與外圍的環分兩個部分加工后焊接成型，經考慮采用一整塊材料線切割成型，無焊接變形現象。

3.4 試驗與驗收

在調試過程中，發現水溫從常溫升至110℃，熱膨脹大，容易將回路脹破，經及時調整方案，將高溫的水從排氣口排出一部分，以減少膨脹壓力。在調試過程中還發現高溫對測量儀表產生影響，經及時調整儀表參數，使得儀表正常工作。試驗結論:試驗嚴格按照《除鹽器濾頭功能性試驗程序》要求進行。在回路溫度≥110℃，流量≥35t/h的條件下，回路持續試驗>24小時，并進行了反沖洗試驗。試驗完成后，對濾頭進行外觀檢查，濾頭無脫落變形，無樹脂跑漏現象，濾頭性能符合除鹽器濾頭技術要求。