付 勇，孫 杰，白 川，陳 淼，李國才，周仕雄

（中核核電運行管理有限公司維修三處，浙江嘉興 314300）

0 引言

鼓形濾網(wǎng)是壓水堆核電廠循環(huán)水系統(tǒng)的主要過濾設(shè)備之一，用于去除海水中的細小雜物，以保證下游泵、換熱器等設(shè)備的正常運行。

某電廠鼓形濾網(wǎng)型號為GWNS19×5.0（圖1），濾網(wǎng)直徑19 m，有效寬度4.16 m，采用雙速電機驅(qū)動，網(wǎng)片直徑4.2 mm，主軸安裝成與攔污柵的平面平行，水流由內(nèi)向外流動。污物被攔截于鼓形濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)，通過反沖洗水系統(tǒng)沖洗后從排污管道排出。其中齒條材料是以灰鑄鐵為基體的鎳鉻鑄鐵，小齒輪材質(zhì)是單體澆鑄的MC901尼龍。

圖1 鼓形濾網(wǎng)

1 問題

某電廠功率運行期間發(fā)生鼓形濾網(wǎng)齒條斷裂缺陷，如果不及時處理，斷裂的齒條可能掉落至鼓網(wǎng)坑，造成鼓形濾網(wǎng)傳動失效而停運，嚴重影響機組安全穩(wěn)定運行。

鼓形濾網(wǎng)整圈齒軌上安裝有60 根齒條，每根齒條長約1 m，通過4 顆M24 螺栓固定在齒軌上，兩側(cè)及中間部位設(shè)計凸臺支撐整個齒條。斷裂位置在齒條中間靠近凸臺位置的齒根部位（圖2），齒條材料牌號為鎳鉻鑄鐵STNi2Cr，鑄件基體為HT300。

圖2 齒條斷裂位置

2 原因分析

為確定齒條斷裂原因，制定針對性的處理措施，避免類似問題重復(fù)發(fā)生，對斷裂的齒條進行失效分析。

2.1 試驗方法

根據(jù)測試和分析需要，對齒條分別進行宏觀檢查、化學成分分析、拉伸性能檢驗、金相檢驗和斷口微觀分析。

（2）化學成分分析：在齒條上取屑進行化學成分分析，檢測標準：GB/T 20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法（常規(guī)方法）》，CSM 07039401—2003《合金鋼：錳、磷、鉻、鎳、鉬、銅、釩、鈷、鈦、鋁含量的測定：電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》。

（3）硬度測試：對齒條靠近斷口處及遠離斷口處齒部取樣的齒表面和基體分別進行布氏硬度測試，測試標準：GB/T 231.1—2018《金屬布氏硬度試驗第一部分：試驗方法》。

（4）室溫拉伸性能測試：對齒條靠近斷口處及遠離斷口處分別取樣進行室溫拉伸試驗，拉伸試樣按照GB/T 9439—2010《灰鑄鐵件》標準中表5 采取直徑10 mm 的圓棒狀拉伸試棒，測試標準：GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》。

（5）室溫沖擊性能測試：對齒條靠近斷口處及遠離斷口處分別取樣進行室溫沖擊性能測試。測試標準：GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》。

（6）金相檢驗：在對齒條靠近斷口處及遠離斷口處齒部截取試樣進行金相檢驗，測試標準：GB/T 7216—2009《灰鑄鐵金相檢驗》和GB/T 13299—1991《金屬顯微組織檢驗方法》。

（7）斷口微觀分析：將齒條斷口放入掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，檢測標準：JY/T 010—1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。

2.2 檢驗結(jié)果

2.2.1 宏觀檢查

第三次熔頂發(fā)生在第一道氣環(huán)閉口間隙值較小的第二缸、第三缸，從表1看出，其二、三缸的閉口間隙值是偏小的，與第二次熔頂?shù)脑蝾愃疲溟]口間隙值偏小是造成拉缸、熔頂?shù)母驹颉?/p>

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)齒條斷裂位置位于靠近底部凸臺一側(cè)邊緣的齒根處，斷口較為平齊，沒有明顯的塑性變形，但可見由齒根側(cè)向外輻射的擴展放射條紋，斷面呈深土黃色，磨損及銹蝕較為嚴重，為脆性斷裂斷口（圖3）。同時發(fā)現(xiàn)齒面存在明顯的偏磨現(xiàn)象，與齒底部凸臺對應(yīng)位置的齒面磨損尤為明顯，且齒條中段的齒底部凸臺兩側(cè)（和墊片接觸位置）有明顯的磨損痕跡。

圖3 齒條斷口宏觀形貌

2.2.2 化學成分

在斷裂齒條上取樣鉆取部分鐵屑，利用PerkinElmer Optima210 0DV 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和C、S 分析儀進行螺栓的化學成分分析，并與廠家技術(shù)條件要求對比，化學成分分析結(jié)果見表1。

表1 化學成分檢驗結(jié)果wt%

化學成分分析結(jié)果表明，齒條的C 含量略高于廠家技術(shù)條件要求的上限值，Si 含量略低于廠家技術(shù)條件要求的下限值，其余元素的含量均在廠家技術(shù)條件要求的成分范圍內(nèi)。

2.2.3 硬度試驗

依據(jù)GB/T 231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》，對齒條取樣齒面和基體進行布氏硬度測試，測試設(shè)備為HBS-3000 型數(shù)顯布氏硬度計，測試條件：負荷187.5 kg，負荷保持時間10 s，測試結(jié)果見表2。

表2 布式硬度試驗結(jié)果HBW

硬度測試結(jié)果表明，齒條兩位置取樣的齒面硬度、齒頂側(cè)基體硬度及遠離斷口處取樣的齒中部基體硬度均偏高。

2.2.4 拉伸性能試驗

依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》，對斷裂齒條取樣進行室溫拉伸試驗，拉伸試驗在日本島津AG-IC 100 kN 精密電子萬能材料試驗機上進行。試驗結(jié)果見表3。

表3 室溫拉伸性能試驗結(jié)果

室溫拉伸試驗結(jié)果表明，齒條本體取樣的抗拉強度低于GB/T 9439—2010 標準中對壁厚40～80 mm 的HT300 鑄件本體取樣的要求。

2.2.5 沖擊性能

依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用ZwickAMSLER RKP 450 沖擊試驗機對斷裂齒條取樣進行室溫沖擊試驗，錘刃半徑2 mm，擺錘角度150°，打擊能量150 J，缺口類型為V 形。試驗結(jié)果見表4。

表4 室溫沖擊性能檢驗結(jié)果

GB/T 9439—2010 標準中對灰鑄鐵的沖擊性能未做規(guī)定，從沖擊性能試驗結(jié)果來看，斷裂齒條的沖擊功較低（1.0 J）。

2.2.6 金相檢驗

依據(jù)GB/T 7216—2009《灰鑄鐵金相檢驗》，采用ZEISS AXIOVERT 200 MAT 研究級倒置萬能金相顯微鏡，對斷裂齒條取樣進行金相檢驗，包括拋光態(tài)下的石墨分布形狀，及經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后的組織形態(tài)檢驗，檢驗結(jié)果見表5，金相檢驗照片見圖4、圖5。

圖4 齒條斷口附近取樣拋光態(tài)石墨形狀

圖5 齒條遠離斷口處取樣拋光態(tài)石墨形狀

表5 金相組織檢驗結(jié)果

金相檢驗結(jié)果表明，斷裂齒條斷口附近和遠離斷口斷口處取樣的金相組織沒有明顯差異，均為灰鑄鐵的典型組織，齒頂側(cè)組織較細，且存在明顯的枝晶偏析現(xiàn)象，石墨類型以F 型為主，這是由于齒頂側(cè)在凝固過程中過冷度較大，冷速較快造成的，未見明顯的氣孔、疏松等缺陷。

2.2.7 斷口電鏡微觀觀察

對齒條的斷口取樣在掃描電鏡下進行微觀觀察，試驗儀器為ZEISSMerlin Compact 場發(fā)射掃描電子顯微鏡，TESCAN VEGA TS5136XM 掃描電子顯微鏡，斷口電鏡微觀照片見圖6。通過對齒條斷口的掃描電鏡微觀觀察可以看出，斷裂齒條斷口表面無明顯塑性變形特征，但斷面已完全被腐蝕，難以觀察到原始斷裂特征。

圖6 齒條斷掃描電鏡微觀照片

2.3 分析小結(jié)

綜上檢驗結(jié)果分析，鼓網(wǎng)齒條的斷裂位置位于靠近底部凸臺一側(cè)邊緣的齒根處，由擴展放射條紋可以看出，裂紋由齒根處啟裂并向底部側(cè)迅速擴展并最終斷裂，為脆性斷裂斷口。齒根處為應(yīng)力集中位置，同時檢查發(fā)現(xiàn)，齒條中段的齒底部凸臺兩側(cè)（和墊片接觸位置）有明顯的磨損痕跡，且與齒底部凸臺對應(yīng)位置的齒面磨損尤為明顯，另據(jù)現(xiàn)場檢修反饋，重新安裝齒條時發(fā)現(xiàn)齒條中部架在齒軌固定螺栓墊片上導(dǎo)致齒條整體翹起，齒條無法直接安裝到位。由此表明，墊片尺寸較大影響了該處齒條安裝的平整度，進一步加劇了底部凸臺對應(yīng)位置齒根處的應(yīng)力集中程度。

其次，對斷裂齒條的理化性能檢驗表明，齒條的C 含量略高于廠家技術(shù)條件要求的上限值，Si 含量略低于廠家技術(shù)條件要求的下限值，Si/C 為0.41，處于較低水平，而研究表明，Si/C 值過低會影響鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，增大斷面敏感性，降低彈性模量和形變抗力。再者，齒條本體取樣的抗拉強度明顯偏低，且齒條為珠光體類灰鑄鐵，其鑄造性能好，但脆性較大（沖擊功為1.0 J）以及較低的強度和沖擊韌性，將導(dǎo)致齒條在運行過程中，應(yīng)力集中部位更易產(chǎn)生裂紋，而一旦出現(xiàn)裂紋萌生，就會引起裂紋的快速擴展至最終脆性斷裂。

3 處理措施及建議

鼓形濾網(wǎng)齒條斷裂后直接影響設(shè)備運行，停運鼓網(wǎng)進行齒條更換，并對齒軌連接墊片（圖7）寬度進行打磨，避免與新齒條中間凸臺干涉，造成額外應(yīng)力集中，同時結(jié)合斷裂齒條進行的相關(guān)檢驗和綜合分析，提出以下改進建議：①加強對齒條材料的檢驗，確保齒條的各項性能滿足廠家技術(shù)條件及標準的要求；②考慮采用耐磨性滿足要求，但強度更高、沖擊韌性更佳的材料制造齒條，確保齒條滿足使用要求。

圖7 齒軌連接墊片位置

更換新齒條后運行一個循環(huán)周期（18 個月）未出現(xiàn)齒條斷裂等異常情況。

4 結(jié)論

通過鼓形濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點及齒條斷裂原因分析可知，斷裂齒條的化學成分及齒面硬度不滿足廠家技術(shù)條件的要求，斷裂齒條本體取樣的抗拉強度低于GB/T 9439—2010 標準的要求，齒條斷裂方式為典型的灰鑄鐵脆性斷裂。因齒條及齒軌本身不平整度以及齒軌墊片的干涉，在齒條中部產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中部位容易產(chǎn)生裂紋，裂紋萌生后引起快速擴展至最終脆性斷裂，本文分析所得結(jié)論和處理建議對同類型鼓形濾網(wǎng)運行維護、備件管理具有一定的參考意義。