核電廠常規(guī)島主給水泵濾網(wǎng)的失效分析和改進(jìn)

劉元慶，龍 斌，翟傳光

（陽江核電有限公司，廣東陽江 529941）

0 引言

CPR1000 核電廠常規(guī)島的主給水泵前設(shè)置有金屬濾網(wǎng)，主要用于過濾二回路主給水中的雜質(zhì)以及濾網(wǎng)自身和上游可能發(fā)生脫落的設(shè)備零部件，保護(hù)主給水泵及下游設(shè)備免受異物損傷，尤其是保護(hù)蒸汽發(fā)生器傳熱管。

某核電廠常規(guī)島主給水泵前的編織濾網(wǎng)使用約2～3 年后，在流體擾流作用下，濾網(wǎng)局部出現(xiàn)不銹鋼絲磨損斷裂，最終導(dǎo)致濾網(wǎng)局部破損。本文通過對(duì)濾網(wǎng)失效原因的分析和研究，提出采用金屬燒結(jié)結(jié)構(gòu)濾網(wǎng)的改進(jìn)方案，并介紹了金屬燒結(jié)濾網(wǎng)改進(jìn)方案以及工程應(yīng)用效果。

1 濾網(wǎng)失效的原因分析

1.1 濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)介紹

某核電廠常規(guī)島主給水泵前濾網(wǎng)主要由多孔不銹鋼支撐板、三層316 不銹鋼絲編織濾布（1 mm 鋼絲編制的4 mm 孔徑濾布、0.32 mm 鋼絲編制的0.9 mm 孔徑濾布、0.7 mm 鋼絲編制的2.5 mm 孔徑濾布）、濾布不銹鋼壓緊條及緊固螺栓等部件組成（圖1），濾筒直徑500 mm，長(zhǎng)度2400 mm，屬于T 形工業(yè)濾網(wǎng)。濾網(wǎng)設(shè)計(jì)口徑為DN22″，設(shè)計(jì)壓力不超過3 MPa，額定流量3250 t/h。清潔濾網(wǎng)本體在額定流量下理論壓降不超過0.02 MPa。濾網(wǎng)投運(yùn)系統(tǒng)后，疊加測(cè)量管線壓降，系統(tǒng)測(cè)得濾網(wǎng)壓降不超過0.04 MPa。流體由濾網(wǎng)左側(cè)開口進(jìn)入濾網(wǎng)內(nèi)部，介質(zhì)經(jīng)濾網(wǎng)過濾后進(jìn)入濾網(wǎng)與筒體間隙，環(huán)流至右側(cè)筒體出口流出。

圖1 主給水泵前濾網(wǎng)

濾網(wǎng)的三層濾布通過環(huán)向的4 根不銹鋼壓條和緊固螺栓（圖2），固定在多孔不銹鋼筒上，用于緩解介質(zhì)流通濾網(wǎng)時(shí)三層濾布的振動(dòng)。

圖2 改進(jìn)前的濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.2 濾網(wǎng)磨損形貌分析

該型號(hào)金屬編織濾網(wǎng)投運(yùn)2～3 年后，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)局部存在明顯缺陷。濾網(wǎng)缺陷主要表現(xiàn)為濾網(wǎng)不同層濾布的不銹鋼絲明顯磨損，濾布不銹鋼絲與多孔不銹鋼筒存在明顯磨損，摩擦區(qū)域?yàn)V網(wǎng)不銹鋼絲已出現(xiàn)斷裂。在水流的不斷沖擊下，不銹鋼絲斷裂位置逐漸發(fā)展為濾布的局部破損（圖3）。

圖3 改進(jìn)前濾網(wǎng)磨損失效形貌

1.3 磨損原因分析

濾網(wǎng)左側(cè)進(jìn)口處，濾布不銹鋼絲水流近乎平行于濾網(wǎng)濾布表面進(jìn)入，濾網(wǎng)入口處，貼近濾布表面的局部水流擾動(dòng)容易引起濾網(wǎng)濾布的分層，中間夾層的濾布不銹鋼絲就會(huì)出現(xiàn)局部振動(dòng)，多層濾布不銹鋼絲之間、濾布不銹鋼與多孔不銹鋼骨架出現(xiàn)摩擦，最終導(dǎo)致不銹鋼網(wǎng)絲的磨損斷裂。

濾布不銹鋼絲剛度較低，在長(zhǎng)度2.4 m 的濾網(wǎng)多孔支撐筒上，通過4 個(gè)寬40 mm 的環(huán)形壓緊條進(jìn)行加固，難以實(shí)現(xiàn)各層濾布與多孔不銹鋼骨架的緊密結(jié)合。但環(huán)向壓緊條過多，就會(huì)影響濾網(wǎng)的通流面積。而且增加環(huán)向壓緊條或改為網(wǎng)狀壓緊條，不能從根本上解決濾布之間無法完全貼緊的問題，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，仍不可避免地出現(xiàn)網(wǎng)絲磨損斷裂的情況。

2 濾網(wǎng)的改進(jìn)

2.1 改進(jìn)思路

編織濾網(wǎng)破損的根本原因是多層濾布不能完全貼合，在水流沖擊作用下，濾布不銹鋼絲磨損斷裂。濾網(wǎng)改進(jìn)方案需要從根本上解決各層濾布無法緊密貼合問題。根據(jù)以上改進(jìn)思路，決定采用金屬燒結(jié)技術(shù)，將不同層的濾布直接燒結(jié)為一體，從根本上解決了流體擾動(dòng)情況下濾布不銹鋼絲的振動(dòng)磨損問題。

2.2 改進(jìn)要求

金屬燒結(jié)濾網(wǎng)的外形尺寸為2480 mm×700 mm×700 mm，需保持與原設(shè)計(jì)一致，濾網(wǎng)過濾精度由0.8 mm 提升至0.4 mm，在額定流量3250 t/h 的工況下，清潔濾網(wǎng)理論壓降不超過0.02 MPa，疊加系統(tǒng)測(cè)量管線壓降，投運(yùn)后濾網(wǎng)的測(cè)量壓降不超過0.04 MPa，設(shè)備允許運(yùn)行的最高溫度為200 ℃。

燒結(jié)濾網(wǎng)耐壓強(qiáng)度不低于原設(shè)計(jì)編織濾網(wǎng)。燒結(jié)濾網(wǎng)連接頭及濾筒、濾筒連接環(huán)的材料為S30408 不銹鋼，濾網(wǎng)絲網(wǎng)材料采用S31603 不銹鋼。

2.3 改進(jìn)方案

金屬燒結(jié)濾網(wǎng)的濾芯是在已有編織濾網(wǎng)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和生產(chǎn)工藝優(yōu)化而來。燒結(jié)濾網(wǎng)是將多層不銹鋼絲編織的濾布經(jīng)加壓、燒結(jié)、軋制等工藝，采用真空燒結(jié)至1200 ℃，令各濾布不銹鋼絲接觸點(diǎn)擴(kuò)散固溶，使其具有穩(wěn)定的過濾精度和良好的耐壓性能，在不改變?cè)瓰V網(wǎng)主體尺寸結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)濾網(wǎng)可靠性提升。

改進(jìn)型濾網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由4 層組成，包括1 層多孔不銹鋼支撐孔板和3 層編織濾網(wǎng)，分別是0.9 mm 鋼絲編制的2 mm 孔徑濾布、0.36 mm 鋼絲編制的0.9 mm 孔徑濾布和0.19 mm 鋼絲編制的0.4 mm 孔徑濾布。4 層結(jié)構(gòu)通過疊放加壓加熱燒結(jié)在一起，滾軋成圓桶形，側(cè)邊通過支撐孔板邊緣焊接在一起，然后將焊接完的3 段濾筒通過連接環(huán)焊接在一起，組裝成整個(gè)濾網(wǎng)（圖4）。

圖4 燒結(jié)濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.3.1 燒結(jié)濾網(wǎng)壓降計(jì)算

燒結(jié)濾網(wǎng)采用三層網(wǎng)絲與不銹鋼多孔支撐板燒結(jié)而成，濾網(wǎng)網(wǎng)芯強(qiáng)度得到提升，使濾網(wǎng)精度提升成為可能，燒結(jié)濾網(wǎng)網(wǎng)芯的過濾器精度由原編織濾網(wǎng)的0.8 mm 提升至0.4 mm。過濾精度提升后，同樣尺寸的燒結(jié)濾網(wǎng)壓降會(huì)大于原編織濾網(wǎng)。為了降低燒結(jié)濾網(wǎng)壓降，滿足清潔燒結(jié)濾網(wǎng)理論壓降不大于0.02 MPa的設(shè)計(jì)要求，通過計(jì)算，需要將燒結(jié)濾網(wǎng)的多孔支撐板開孔率由原來的39%增加至42%。改進(jìn)后的濾芯參數(shù)見表1。

表1 改進(jìn)后的濾芯參數(shù)

按照40 目濾網(wǎng)的參數(shù)展開計(jì)算，參考HG/T 21637—2021《化工管道過濾器》標(biāo)準(zhǔn)，查得40 目不銹鋼絲網(wǎng)的絲徑為Φ0.193 mm，有效面積49%。濾芯的壓降按公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中 ΔP1——濾芯壓降，Pa

Q——流量，Q=3250 t/h=3700 m3/h=1.027 m3/s

ρ——流體密度，ρ=866 kg/m3

A0——濾網(wǎng)通孔面積，A0=0.775 m2

ξ——阻力系數(shù)

代入數(shù)據(jù)計(jì)算，可得ΔP1=866×24×（1.027/0.775）2/2=18 246 Pa≤0.02 MPa。

當(dāng)雷諾數(shù)Re≥400 時(shí)，阻力系數(shù)按公式（2）計(jì)算：

式中 A——過濾面積，A=3.768 m2

V——流過濾芯液體流速，V=Q/A0=1.32 m/s

dw——網(wǎng)絲徑，dw=0.19×10-3m

υ——流體運(yùn)動(dòng)黏度，υ=1.55×10-7m2/s

代入數(shù)據(jù)計(jì)算，可得ξ=1.3（1-A0/A）+（A/A0-1）2=24。

經(jīng)計(jì)算，改進(jìn)后燒結(jié)濾網(wǎng)多孔支撐筒開孔率調(diào)整到42%，即開Φ4 mm 的孔，孔中心間距為6 mm，改進(jìn)后過濾精度提升為0.4 mm 的燒結(jié)濾網(wǎng)壓降滿足改進(jìn)要求。

2.3.2 燒結(jié)濾網(wǎng)強(qiáng)度校核

燒結(jié)濾網(wǎng)支撐孔板開孔率增加的情況下，為保證燒結(jié)濾網(wǎng)整體耐壓能力不低于原編織濾網(wǎng)，經(jīng)計(jì)算，多孔支撐筒的開孔率增加至42%，燒結(jié)濾網(wǎng)將開孔直徑由3 mm 增加至4 mm，孔中心孔距由4.8 mm 增加至6 mm，其厚度由1.5 mm 增加至2 mm，可以保證燒結(jié)濾網(wǎng)支撐筒開孔慮增加的同時(shí)支撐筒的承載能力不下降。

2.4 燒結(jié)濾網(wǎng)工藝

首先對(duì)單層不銹鋼絲編制的濾布進(jìn)行軋制，將單層濾布軋制平整，厚度誤差不超過±0.02 mm（圖5a））。將各層濾布以及多孔不銹鋼板按順序疊加，用電焊機(jī)對(duì)其側(cè)面進(jìn)行點(diǎn)焊后，整體放入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行一次燒結(jié)。真空燒結(jié)爐從室溫開始升溫，1 h 升溫至600 ℃，2 h 升溫至900 ℃，3.5 h 升溫至1100 ℃，再經(jīng)過1.5 h 升溫至1320 ℃并保溫3 h。隨爐降溫500 ℃以下充氮?dú)怙L(fēng)冷。要求燒結(jié)后絲網(wǎng)版顏色光亮、表面完好，無雜物、融化、污染等缺陷。對(duì)燒結(jié)成型的濾板進(jìn)行二次軋制，軋制后濾板平面誤差不超過±0.05 mm，軋制完成后再進(jìn)行二次燒結(jié)，燒結(jié)成型的濾板進(jìn)行卷筒和組裝焊接，最終制成燒結(jié)濾網(wǎng)（圖5b））。

圖5 濾網(wǎng)

2.5 壓降測(cè)試

進(jìn)行壓降測(cè)試前，參考JB/T 6896—2007《空氣分離設(shè)備表面清潔度》相關(guān)要求完成濾網(wǎng)表面清潔。燒結(jié)濾網(wǎng)安裝至常規(guī)島主給水系統(tǒng)開展濾網(wǎng)壓降測(cè)量，濾網(wǎng)壓降測(cè)量試驗(yàn)共分為1000 t/h、1500 t/h、1800 t/h、2000 t/h、2500 t/h、2800 t/h、2930 t/h以及3250 t/h（額定運(yùn)行流量）8 個(gè)平臺(tái)。測(cè)量記錄每個(gè)平臺(tái)濾網(wǎng)壓降和流量數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，改進(jìn)后的燒結(jié)濾網(wǎng)滿足壓差設(shè)計(jì)要求（表2）。

表2 改進(jìn)燒結(jié)濾網(wǎng)壓降測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.6 應(yīng)用效果

改進(jìn)后的金屬燒結(jié)濾網(wǎng)已在某電廠應(yīng)用超過2 年，日常運(yùn)行期間狀態(tài)良好。燒結(jié)濾網(wǎng)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)測(cè)量壓差滿足設(shè)計(jì)要求（不超過0.04 MPa）。大修期間對(duì)金屬燒結(jié)濾網(wǎng)進(jìn)行檢查，濾網(wǎng)狀態(tài)良好，未見改進(jìn)前的濾網(wǎng)不銹鋼絲磨損、濾網(wǎng)局部破損等異常情況，金屬燒結(jié)濾網(wǎng)的可靠性明顯強(qiáng)于改進(jìn)前濾網(wǎng)。

3 總結(jié)

某電廠常規(guī)島主給水泵濾網(wǎng)磨損破裂的主要原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，無法解決流體擾動(dòng)作用下不同層濾布不銹鋼絲的振動(dòng)磨損問題。改進(jìn)后的金屬燒結(jié)濾網(wǎng)，將多層金屬編織濾布燒結(jié)在一起，從根本上解決了多層濾網(wǎng)層與層之間振動(dòng)磨損的問題。改進(jìn)后濾網(wǎng)可靠性得到顯著提升，已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐，效果良好，可以推廣至同類機(jī)組設(shè)備。