凝汽器二次濾網網片破損分析與處理

張曉光，劉 強

(1.中核(上海)供應鏈管理有限公司，上海 200233；2.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

1 概述

1.1 二次濾網介紹

二次濾網，是凝汽器的一個重要組成部分，其作用是濾除冷卻水雜物，以確保凝汽器傳熱管的完好。二次濾網采用機械過濾方式，通過大面積、低阻力的過濾網格，將較大的固體顆粒過濾掉，并通過排污管線排出。其濾網單元，即網片采用扇形圓弧狀設計，有利于雜物的收集，同時減緩水流沖擊，如圖1所示。

圖1 二次濾網結構示意圖

在能源、化工、制藥等行業中使用的許多傳統型蒸汽發電裝置都需要借助于凝汽器來實現對熱量的回收和利用，同時又需保證設備良好的運作狀態和操作安全。凝汽器二次濾網的應用，則有利于保障凝汽器設備的長期完好運行。

1.2 二次濾網網片典型故障

二次濾網網片破損原因一般有以下幾方面：

1)材料質量問題：網片制作材料不好，可能存在缺陷或者過于脆弱易碎，這樣容易發生網片破損或掉落。

2)設計問題：如果二次濾網設計不合理，網片表面積小、網格過細、過于卡緊或壓力不平衡等都會導致網片在長期使用中出現破損、損壞情況。

3)操作維護不當：二次濾網長期使用后可能會沉積物殘渣或其他雜質，如不能定期進行清理，就難以確保其正常工作，也可能加劇網片的破損。

4)外部環境影響：二次濾網使用環境可能存在較高溫度、潮濕、腐蝕和震動等不利因素，這些因素都可能直接或間接引起網片的破損。

因此，對于凝汽器二次濾網網片破損，需要尋找并針對具體破損原因來進行分析處理，以及為進一步提高其使用壽命與效果建立相應的預防措施。

1.3 案例介紹

某核電廠二次濾網運行3年后，出現網片大面積破損現象，對凝汽器傳熱管產生不同程度的損傷。經檢查發現，破損位置為網片相鄰濾孔連接處(以下簡稱孔間筋)，如圖2所示。

圖2 網片孔間筋

孔間筋受海水長期沖刷，均存在減薄情況，如圖3所示，強度下降導致斷裂。

圖3 網片孔間筋減薄情況

2 網片破損原因分析

針對前文案例中二次濾網網片破損進行原因分析。

2.1 材料分析

二次濾網網片材質為2205雙相不銹鋼，2205雙相不銹鋼具有優異的耐腐蝕性，特別是對海水腐蝕的抗力更加突出。它可以在高鹽度和酸堿環境下工作而不損失其基本物理性能，并且不會出現均勻腐蝕。同時2205雙相不銹鋼含有較高的鉻、鉬等元素，具有較好的強度和韌性。在海洋環境中使用時，2205雙相不銹鋼能夠有效地抵御海水沖刷。

海水系統設備過流部件一般都使用2205雙相不銹鋼，如葉輪、閥芯等，另其他海水過濾設備網片均使用該材質。因此在網片選材上符合海水工況要求。

2.2 水質分析

該核電廠所處海域沉積的主要物質是泥沙，受此影響，海域內沉積大于侵蝕，泥沙以粉砂、黏土質粉砂為主。一般來說，近底部水域會有更多的泥沙沉積，而在離底部較遠的水層，泥沙懸浮的比例會更高。但該海域泥沙沉積量大，這些沉積泥沙在潮汐作用下持續波動攪拌，使海域垂線方向泥沙較均勻分布。

海域最大含沙量7.42 kg/m3，平均含沙量4.4 kg/m3，粒徑0.01～0.025 mm，硬度較低。在水流中泥沙對雙相不銹鋼表面進行沖刷時，通常對其材料造成的影響較小。但在流速較高、顆粒濃度較大等情況下，泥沙會對雙相不銹鋼表面造成形態和物理性能上的影響：泥沙顆粒與雙相不銹鋼表面摩擦過程中，導致表面磨損及金屬硬度提高，金屬硬度的提高可能會導致其變得更脆。

從圖3所示網片碎片可看出，孔間筋均存在沖蝕槽，符合泥沙沖刷金屬特征?？组g筋厚2 mm，寬1 mm，在出現沖蝕痕跡后極易斷裂，造成網片大面積破損。

2.3 設計分析

由于水流沖擊和壓力的作用，二次濾網網片容易變形和產生疲勞裂紋，這在長期使用過程中會逐漸積累。為應對水流對網片的沖擊，在網片背側設計了與網片弧度一致的支撐板，如圖4所示。

圖4 網片支撐板實物圖

支撐板由大到小共3片，支撐板固定在網片的背面，支撐板與網片貼合，可以提供均勻的支撐和壓力，使得網片不會變形或破裂。這樣剛性的背側支撐板可確保網片穩定地在濾網框架上運行。

在拆解二次濾網網片時發現，網片的支撐板對應位置有明顯磨痕，如圖5所示。

圖5 網片磨損位置

因網片與支撐板貼合，二次濾網運行過程中，由于水流沖擊、振動等原因，導致二次濾網網片與其背側支撐板碰磨，網片及支撐板均產生磨損，如圖6所示。該位置在長時間的摩擦作用下，逐漸失去強度，降低整個二次濾網的使用壽命。另外受海水泥沙含量高的影響，在網片與支撐板磨損初期產生較大間隙后，細小泥沙會隨水流進入兩者間隙，持續對網片及支撐板產生沖刷、摩擦，加速了網片孔間筋磨損的速度。盡管該位置的磨損未導致網片破損，但長期運行必然導致其強度下降最終開裂。

2.4 安裝過程分析

在安裝網片過程中，網片應與支撐板完全貼合，減少水流沖擊下網片的振動，如產生間隙，振動帶來的磨損與泥沙造成的磨損會使網片加速發生斷裂。因此網片安裝質量也是穩定運行的重要因素。

經查閱電廠相關維修規程，在網片與支撐板貼合方面沒有具體要求，對歷次二次濾網檢修負責人進行采訪中得知，該位置是否完全貼合并沒有關注。由此可見，不完善的安裝過程，促成了網片加速破損。

3 網片破損問題處理

核電廠通常換料周期為18個月，為確保設備安全、可靠性，換料期間同時進行電廠大修工作，拆解部分設備或系統，修復磨損和受損的部件，并對設施設備進行檢測和驗證。

根據網片破損原因分析結果，結合電廠實際運行工況，對二次濾網網片進行相應改造工作，旨在解決一個燃料運行周期內出現網片破碎導致凝汽器傳熱管受損的問題，利用電廠大修繼續停運期間更換二次濾網網片。

3.1 緩解泥沙沖刷

針對網片孔間筋易受泥沙沖刷減薄，將網片厚度增加，同時增加孔間筋寬度，減少因沖刷減薄帶來的斷裂風險。

二次濾網各項運行參數直接影響設備本體的使用壽命以及下游凝汽器傳熱管的安全性。

過濾精度，即濾孔直徑，濾孔直徑越小，可過濾出的雜質就會越小，保護效果也會更好。但濾孔直徑過小會增大水流阻力，水阻過大，會導致過濾效果和設備穩定性降低，還可能引起二次濾網堵塞或壓力升高等問題，從而對工藝安全和設備壽命造成威脅。

通流面積是指二次濾網有效面積大小，也稱為過濾面積。通流面積越大，則通過凝汽器二次濾網的流量越大，阻力越小。

3.1.1 原網片水阻計算

由設計圖紙可知，網片的流水孔直徑為d0=5 mm，孔心距為P1=6 mm。網片兩端預留寬度dt1=40 mm區域不開孔，網片頂端底端各預留高度t2=8 mm區域不開孔。網片半徑R=1 400 mm，二次濾網主軸半徑r=95 mm。網片展開尺寸如圖7所示。已知循環水泵出口流量Q=95 868 m3/h，對應兩臺二次濾網，每臺二次濾網均布12片網片。輔助過濾系統流量Q1=4 000 m3/h。海水密度ρ=1.03 g/cm3?；谝陨蠑祿嬎憔W片水阻。

圖7 網片尺寸示意圖

單孔流通面積：

=1.962 5×10-5m2

網孔總面積：

=0.511 m2

兩端不開孔區域面積：

S1=(R-r-2t2)×2t1

=(1.4-0.095-2×0.008)×2×0.04

=0.103 1 m2

頂端不開孔區域面積：

=0.005 8 m2

低端不開孔區域面積：

=0.000 4 m2

開孔區域面積：

S0=S-S1-S2-S3

=0.511-0.103 1-0.005 8-0.000 4

=0.401 7 m2

開孔數量：

開孔總面積：

F0=f0N=1.962 5×10-5×11 158=0.219 m2

流通面積占比：

過孔流速：

=4.86 m/s

阻力系數[1]：

=1.069 6

水阻：

=13.011 kPa

經過計算，二次濾網網片水阻約13 kPa，低于設計要求最大水阻20 kPa。根據二次濾網制造商三種網片產品的網孔尺寸：孔徑5 mm，孔心距6 mm；孔徑6 mm，孔心距7.4 mm；孔徑8 mm，孔心距10.2 mm，并充分考慮孔徑大小對凝汽器傳熱管產生的影響，擬選用孔徑為6 mm的網片。

3.1.2 新網片水阻計算

新網片的流水孔直徑為d0n=6 mm，孔心距為P1n=7.4 mm，其余參數不變，沿用3.1.1節中數據進行計算。

單孔流通面積：

網孔總面積：

Sn=S=0.511 m2

兩端不開孔區域面積：

S1n=S1=0.103 1 m2

頂端不開孔區域面積：

S2n=S2=0.005 8 m2

低端不開孔區域面積：

S3n=S3=0.000 4 m2

開孔區域面積：

S0n=S0=0.401 7 m2

開孔數量：

=7 335

開孔總面積：

F0n=f0nNn=2.826×10-5×7 335

=0.207 m2

流通面積占比：

過孔流速：

阻力系數[1]：

=1.127 3

水阻：

=15.335 kPa

由此可見，新網片水阻ΔP0n=15.335 kPa較原網片水阻ΔP0=13.011 kPa增加約2 kPa，但仍滿足設計要求。在此尺寸下，孔間筋由1 mm增加至1.4 mm，以達到減緩泥沙沖刷的目的。另外，將網片厚度增至3 mm，提高網片整體強度。最終確定的原網片與新網片參數對比見表1。

表1 網片參數對比

3.2 設計優化

考慮到支撐板的作用是緩解網片受力，網片與其接觸的位置介質無法通過，因此對網片進行設計優化，將網片對應支撐板位置改為不開孔的方式設計，如圖8所示，增大與支撐板的接觸面積，更好地起到支撐作用，同時網片該位置無介質通過，不開孔的設計不會影響到網片通流面積。

圖8 新老網片對比

4 處理效果評價

利用核電廠換料大修窗口，對二次濾網網片進行更新換代，更換網片后，二次濾網與凝汽器各運行參數正常穩定。運行一個燃料周期后，檢查二次濾網網片狀態完好，如圖9所示，孔間筋未見明顯沖蝕槽，網片與支撐板貼合緊密，未見磨損現象，證明了分析的準確性和網片優化改造的成功性。

圖9 新網片使用18個月后效果圖

5 結論與建議

本文基于網片破損加以原因分析，通過對網片實施技改進行現場驗證，二次濾網網片破損現象得到有效控制。綜合考慮結構、材質等因素，二次濾網網片仍有很大優化空間。

本次技改僅針對網片本體進行優化，通過前文描述，網片與支撐板接觸位置采用不開孔設計，防止支撐板對網孔持續碰磨。支撐板作為支撐網片的部件，盡管網片對應位置不開孔，但在水流作用下，網片與支撐板仍有碰磨發生，長時間運行依然存在網片破裂的風險。

后續可對支撐板進行優化研究：

1)常規支撐板采用直角設計，直角部位對網片的磨損起到關鍵貢獻，因此可采用圓角設計或平滑過渡設計，通過過渡半徑與過渡長度等參數的優化設計，緩解兩者之間的摩擦。

2)使用含有固體潤滑顆粒的涂層，降低支撐板表面摩擦系數。

3)通過表面處理技術，改善支撐板光潔度，減小表面的微觀不平整可降低磨損，增加支撐板耐磨性。

網片對應支撐板不開孔位置同樣可以進行涂層或表面處理技術來降低磨損。

在網片安裝過程中，需關注網片與支撐板貼合程度，只有嚴密地貼合，網片在水流沖擊下才不會產生晃動，避免網片與支撐板之間的碰磨，同時降低泥沙等細小顆粒進入間隙對網片磨損的概率，從而減少非預期的網片破損情況。

電廠運行期間，應嚴密監視二次濾網壓差參數，壓差的突然降低或持續低，說明二次濾網網片存在破損現象，需要進一步關注處理。另關注凝汽器水質參數，如鈉離子含量、電導率等。水質參數出現異常，則有可能因二次濾網網片破損造成凝汽器傳熱管破損，海水進入凝汽器使水質參數發生變化。

在電廠停機檢修時，關注二次濾網網片孔間筋沖蝕情況，若出現明顯減薄，則應更換網片以確保下一運行周期的可靠性。同時關注支撐板磨損情況，在出現支撐板與網片貼合不牢或存在較大間隙時應及時更換支撐板，或對支撐板進行打磨處理，防止網片與支撐板之間的碰磨加劇。

根據電廠自身運行工況、水質等特點，建立相應的預防性維修手段，降低二次濾網網片破損風險，提升二次濾網設備可靠性，保證機組安全穩定運行。