核電廠柴油機油水分離器濾芯失效分析

方奇術

（國家電投集團電站運營技術（北京）有限公司，北京 112209）

0 引言

AP1000 核電廠每臺機組設置兩臺備用柴油發電機，其型號為18PA6B，18 缸V 形結構、渦輪增壓、水冷、四沖程、中速、單作用、不可逆的、直接燃料注入式柴油機，轉速1000 r/min。與二代核電廠不同，AP1000 核電廠備用柴油發電機主執行包括在模式5 或模式6 下降低RCS 水裝量運行期間支持余熱導出以及在汽輪機發電機停運且喪失廠外交流電源時，向選定的執行縱深防御功能的非安全相關負荷和1E 級直流和不間斷電源系統的1E 級蓄電池充電器供電。在正常運行期間，柴油機系統運行基本上不需要操縱員干預，在電廠功率運行期間，柴油發電機不工作。柴油發電機由燃油子系統為其提供燃油貯存和輸送，并由燃油子系統油水分離器對燃油進行過濾和脫水以滿足柴油機運行所需的燃油質量要求。

該油水分離器在燃油系統運行100～120 h 后出現壓差高報警，更換的新油水分離器濾芯備件后，運行較短時間后再次出現油水分離器壓差高報警。為了分析油水分離器堵塞原因，避免頻繁出現設備報警，本項目針對油水分離器失效原因進行分析。濾芯失效的影響因素主要有:油中的化學成分的化學作用，自然老化，有害雜質附著在纖維周圍，加大了油粒與纖維之間的距離，從而減小了纖維吸油粒的吸引力[1]。

1 燃油油水分離器工作原理

圖1 油水分離器濾紙取樣前形貌

圖2 油水分離器玻璃纖維濾紙清洗前后樣品形貌

圖3 玻璃纖維濾紙樣品形貌（50×）

圖4 無紡布濾紙及附著物樣品微觀形貌（50×）

當日用油箱液位低或溫度低時，輸油泵自動啟動，將燃油從儲油罐中抽出，經過泵前置過濾器燃油前雙聯濾器（過濾精度100 目，濾芯為SBL50-32-00 繞線式濾芯），燃油電加熱器、油水分離器、泵后雙聯過濾器，將潔凈的燃油送到日用油箱中，供柴油機使用。

油水分離器工作原理是燃油進入濾器后經轉換閥到殼體，由外向內通過濾芯進行過濾。所使用的SBL50-09-00 過濾器濾芯由玻璃纖維和無紡布兩道濾紙組成，濾器的生產廠家為張家港圣美意機械有限公司，紙質濾芯采用微孔紙質濾芯，經樹脂處理，制成折疊筒式。紙質濾紙具有親水特性，能濾除介質中的機械雜質，并且能通過破乳、聚結，使乳化狀態的水從介質中分離出來，并聚結為較大的水滴，進一步實現凈化燃油。過濾原理:油、水和其他液體的液滴，被聚結器內部的超細纖維捕捉，這些微米級纖維對氣流形成了曲折的通道，迫使固體顆粒和液體霧滴在慣性碰撞、擴散攔截和直接攔截3 種過濾機理的作用下，被超細纖維捕獲，液體表面張力使小液滴聚結成較大型液滴，在重力的作用，大的液滴沉降至容器底部。玻璃纖維聚結濾芯采用高密度梯度玻璃纖維制造，為減少破損漏失設計成整體單片管結構，濾芯表面經疏水、疏油處理。

2 理化檢驗與分析

2.1 宏觀形貌分析

通過解體燃油濾芯，發現濾芯濾紙部分由玻璃纖維和無紡布兩層濾紙組成，分別提取堵塞后濾芯上玻璃纖維和無紡布濾紙樣品，使用無水乙醇進行清洗晾干，并對清洗后前后形貌采用用研究級倒置萬能材料顯微鏡（型號Axiover 200MAT）進行宏觀分析，結果表明:玻璃纖維濾紙整體顯棕黑色，清洗后濾紙由棕黑色變為乳白色，玻璃纖維濾紙上50 倍光鏡下未發現明顯孔洞，邊緣部位可見針狀玻璃纖維；玻璃纖維濾紙清洗后的無清洗液上懸浮大量棕色細小顆粒，靜置風干后顯棕色泥狀；無紡布上局部被少量棕色異物附著，光鏡下分布可見孔洞。

2.2 微觀形貌分析

采用丙酮試劑對玻璃纖維濾紙進行清洗，對清洗后的顆粒采用導電紙吸附后，在掃描電鏡下進行觀察。圖5a）為玻璃纖維濾紙上吸附的顆粒微觀結構，顆粒大小在50 μm 左右。圖5b）為丙酮清洗后的玻璃纖維濾紙微觀結構。微觀形貌表明玻璃濾紙吸附有大量顆粒狀固體，附著物造成過濾通道堵塞，造成濾紙過濾性能失效[2]。

2.3 無紡布濾紙能譜分析

通過對無紡布濾紙上的附著物進行能譜分析。對清洗后的顆粒采用導電紙吸附后，對雜質顆粒元素成分進行能譜分析，主要元素成分為C（碳）和O（氧），個別雜質顆粒含有少量的Ca（鈣）、Al（鋁）、Mg（鎂）（原子質量較小的元素無法測定，如H（氫）等元素）（圖6）。能譜分析表明，顆粒物不含Fe（鐵）、Mo（鉬）、Mn（錳）等金屬元素，可以排除堵塞顆粒由燃油系統設備管道磨損或腐蝕產生。

2.4 玻璃纖維濾紙能譜分析

對清洗后的顆粒采用導電紙吸附后，對雜質顆粒元素成分進行能譜分析，主要元素成分為C 和O，雜質顆粒含有少量Si（硅）、Ca、Al、Mg 等元素（圖7）。對采用丙酮清洗后玻璃纖維濾紙進行能譜分析，主要元素成分為C 和O，并含有少量的Na（鈉）、Ca、Si、Al 等元素成分（圖8）。顆粒元素成分不含Fe，說明雜質非設備及管路系統產生的。

2.5 濾紙清洗試驗

圖5 玻璃纖維上的顆粒微觀結構（白色條狀物質為玻璃纖維）

圖6 無紡布上吸附的雜質顆粒能譜分析結果

圖7 玻璃纖維上吸附的雜質顆粒能譜分析

圖8 清洗后的玻璃纖維能譜分析結果

表1 油水分離器濾紙清洗后質量變化情況

表2 燃油油質分析結果

對新更換下來的油水分離器濾芯進行整體烘干稱重試驗，烘干前后重量變化示。然后，對濾芯進行解體，并完整取下無紡布濾紙和玻璃纖維濾紙，采用無水乙醇浸泡清洗并過濾，對清洗下來的雜質進行烘干稱重（表1）。兩道濾紙清洗前后共計減重400 g，初步估算濾紙所吸附的雜質顆粒約為400 g，輸油泵（DOS-MP01A/B）流量為8 m3/h，共計運行約120 h，燃油中所含有油水分離器濾芯不可通過雜質含量為0.41 g/m3。根據《石油產品質量檢驗報告》，該燃油密度（20 ℃）為851.4 kg/m3，計算出雜質含量為4.816×10-7（質量分數）。根據GB/T 511—2011《石油和石油產品及添加劑機械雜質測定法》規定機械雜質小于5×10-5（質量分數）時，雜質含量為4.816×10-7可認為無機械雜質，油品雜質含量是合格滿足要求的。

2.6 柴油油品分析

柴油潔凈度是衡量其濾網通過性能的一項重要指標，若柴油的潔凈度不好，會引起濾網堵塞，導致燃油供應不足，影響燃油系統運行。我國現行的柴油標準中關于潔凈度的指標主要是機械雜質，同時還可將氧化安定生視為影響柴油潛在潔凈度的指標。測定機械雜質時采用的方法是GB/T 511—2010《石油和石油產品及添加劑機械雜質測定法》，它反映的是柴油中已經存在的且不溶于甲苯的固體顆粒物。測定氧化安定性的依據是SH/T 0175—2004《餾分燃料油氧化安定性測定法（加速法）》，在進行試驗前，要求對樣品進行預過濾，以除去已經形成的可濾出物或者其中攜帶的固體雜質，因此它反映的是柴油在儲存過程中形成可濾出物的傾向。

本文對柴油田對燃油系統中的日用油箱A、日用油箱B、儲存箱A、儲存箱B 柴油油品進行檢測，檢測結果表明燃油系統燃油品質滿足GB/T 19147—2003《車用柴油要求》[3]。該燃油檢測結果與濾芯清洗試驗推算的機械雜質含量基本一致（表2）。

2.7 失效原因分析

顆粒污染會導致油水分離器水分離效率降低或失效。纖維組織間沉積大量顆粒物，導致濾芯的局部面流速增大，水分在濾芯表面停留時間縮短；纖維表面親油疏水涂層被顆粒物包裹，細小顆粒與疏水基團隔離，從而無法快速吸附、聚結、沉降水滴。壓差達到一定值后，細小顆粒具有自適應能力可發生形變通過濾材，油水分離器喪失除水功能。

過濾出的顆粒能譜分析顯示不含Fe、Mo、Mn 等金屬元素，可以排除堵塞顆粒由燃油系統設備管道磨損或腐蝕產生。

濾芯清洗試驗表明，濾芯濾紙所吸附的顆粒總量為400 g，根據流量和管路運行時間推算，燃油中該濾芯能吸附的顆粒含量約為0.481 6×10-6，雜質含量小于5×10-5，油品雜質含量是合格的，滿足GB 252—2015 普通柴油技術要求中機械雜質含量相關要求，與燃油取樣分析結果基本一致。

3 結論與建議

根據本文試驗分析結果與原因分析，提出以下改進建議:

（1）根據運行情況，按期更換濾芯，或更換吸附能力更強或使用壽命更長濾芯以延長使用時間。

（2）參考其他核電廠對燃油系統管線進行優化設計或改造，如使用可反沖洗式燃油過濾器等，避免濾芯反復更換。