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        核電廠常規(guī)島主給水泵濾網(wǎng)的失效分析和改進

        2023-08-29 01:40:32劉元慶翟傳光
        設(shè)備管理與維修 2023年13期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼絲島主給水泵

        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,保護主給水泵及下游設(shè)備免受異物損傷,尤其是保護蒸汽發(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)的改進方案,并介紹了金屬燒結(jié)濾網(wǎng)改進方案以及工程應(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,長度2400 mm,屬于T 形工業(yè)濾網(wǎng)。濾網(wǎng)設(shè)計口徑為DN22″,設(shè)計壓力不超過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)投運系統(tǒng)后,疊加測量管線壓降,系統(tǒng)測得濾網(wǎng)壓降不超過0.04 MPa。流體由濾網(wǎng)左側(cè)開口進入濾網(wǎng)內(nèi)部,介質(zhì)經(jīng)濾網(wǎng)過濾后進入濾網(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)時三層濾布的振動。

        圖2 改進前的濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)

        1.2 濾網(wǎng)磨損形貌分析

        該型號金屬編織濾網(wǎng)投運2~3 年后,現(xiàn)場檢查發(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)域濾網(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)進口處,濾布不銹鋼絲水流近乎平行于濾網(wǎng)濾布表面進入,濾網(wǎng)入口處,貼近濾布表面的局部水流擾動容易引起濾網(wǎng)濾布的分層,中間夾層的濾布不銹鋼絲就會出現(xiàn)局部振動,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,在長度2.4 m 的濾網(wǎng)多孔支撐筒上,通過4 個寬40 mm 的環(huán)形壓緊條進行加固,難以實現(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,隨著運行時間的加長,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

        2.1 改進思路

        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情況下濾布不銹鋼絲的振動磨損問題。

        2.2 改進要求

        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)測量管線壓降,投運后濾網(wǎng)的測量壓降不超過0.04 MPa,設(shè)備允許運行的最高溫度為200 ℃。

        燒結(jié)濾網(wǎng)耐壓強度不低于原設(shè)計編織濾網(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)計結(jié)構(gòu)改進和生產(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擴散固溶,使其具有穩(wěn)定的過濾精度和良好的耐壓性能,在不改變原濾網(wǎng)主體尺寸結(jié)構(gòu)的前提下實現(xiàn)濾網(wǎng)可靠性提升。

        改進型濾網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計由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)計要求,通過計算,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%。改進后的濾芯參數(shù)見表1。

        表1 改進后的濾芯參數(shù)

        按照40 目濾網(wǎng)的參數(shù)展開計算,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)進行計算:

        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,阻力系數(shù)按公式(2)計算:

        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——流體運動黏度,υ=1.55×10-7m2/s

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

        經(jīng)計算,改進后燒結(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,改進后過濾精度提升為0.4 mm 的燒結(jié)濾網(wǎng)壓降滿足改進要求。

        2.3.2 燒結(jié)濾網(wǎng)強度校核

        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支撐筒的承載能力不下降。

        2.4 燒結(jié)濾網(wǎng)工藝

        首先對單層不銹鋼絲編制的濾布進行軋制,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,用電焊機對其側(cè)面進行點焊后,整體放入真空燒結(jié)爐中進行一次燒結(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 ℃以下充氮氣風(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。對燒結(jié)成型的濾板進行二次軋制,軋制后濾板平面誤差不超過±0.05 mm,軋制完成后再進行二次燒結(jié),燒結(jié)成型的濾板進行卷筒和組裝焊接,最終制成燒結(jié)濾網(wǎng)(圖5b))。

        圖5 濾網(wǎng)

        2.5 壓降測試

        進行壓降測試前,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)壓降測量,濾網(wǎng)壓降測量試驗共分為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(額定運行流量)8 個平臺。測量記錄每個平臺濾網(wǎng)壓降和流量數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示,改進后的燒結(jié)濾網(wǎng)滿足壓差設(shè)計要求(表2)。

        表2 改進燒結(jié)濾網(wǎng)壓降測量試驗數(shù)據(jù)

        2.6 應(yīng)用效果

        改進后的金屬燒結(jié)濾網(wǎng)已在某電廠應(yīng)用超過2 年,日常運行期間狀態(tài)良好。燒結(jié)濾網(wǎng)運行時系統(tǒng)測量壓差滿足設(shè)計要求(不超過0.04 MPa)。大修期間對金屬燒結(jié)濾網(wǎng)進行檢查,濾網(wǎng)狀態(tài)良好,未見改進前的濾網(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)的可靠性明顯強于改進前濾網(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)計不合理,無法解決流體擾動作用下不同層濾布不銹鋼絲的振動磨損問題。改進后的金屬燒結(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)層與層之間振動磨損的問題。改進后濾網(wǎng)可靠性得到顯著提升,已成功應(yīng)用于工程實踐,效果良好,可以推廣至同類機組設(shè)備。

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