秦山核電廠旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)銷軸材料失效分析與改進(jìn)

白雙熒，趙 丹

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦山核電廠地處杭州灣水域，電廠運(yùn)行所需的循環(huán)冷卻水均取自杭州灣海水，通過(guò)循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行，使杭州灣成為電廠的最終熱阱。循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備的可用性不僅影響到電廠熱力系統(tǒng)的正常工作和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而且影響到核電廠的核安全。秦山核電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，布置在海水泵和循泵的吸水室之前，用于過(guò)濾經(jīng)取水口攔污柵粗濾后的海水，保證電廠最終熱阱的可靠性。

1 旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的工作原理

銷軸的定位件包括軸套和一端的定位塊，海水介質(zhì)條件下，3Cr13 材料的銷軸強(qiáng)度和耐海水腐蝕性較低，銷軸磨損或腐蝕后外徑變小，與軸套和定位塊之間的間隙增加，由于環(huán)境中泥沙介質(zhì)的存在，會(huì)加快銷軸的磨損，此時(shí)銷軸失去定位作用發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈條在重力作用下被拉長(zhǎng)，傳動(dòng)鏈條松動(dòng)。網(wǎng)板向鏈條松動(dòng)的一側(cè)傾斜并發(fā)生扭轉(zhuǎn)造成卡澀。銷軸作為濾網(wǎng)傳動(dòng)鏈條的連接件，其大面積失效后將導(dǎo)致濾網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)失衡造成卡澀，濾網(wǎng)故障后，將影響二回路循泵和一回路海水泵的可用性，循環(huán)水系統(tǒng)可靠性下降，存在電廠最終熱阱喪失的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2 存在的缺陷與問(wèn)題

自3 臺(tái)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)安裝運(yùn)行以來(lái)，頻繁發(fā)生“鏈條松動(dòng)報(bào)警”故障，檢查發(fā)現(xiàn)主要問(wèn)題為銷軸存在腐蝕、磨損和斷裂，導(dǎo)致定位失效，進(jìn)而鏈板和銷軸之間發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，網(wǎng)板平衡度改變?cè)斐蛇\(yùn)轉(zhuǎn)失衡。3 臺(tái)濾網(wǎng)安裝有不同批次的銷軸，在運(yùn)行約1 年時(shí)間后，2#濾網(wǎng)的銷軸存在嚴(yán)重腐蝕和開(kāi)裂現(xiàn)象，另外2 臺(tái)所用銷軸腐蝕程度較輕，基本未發(fā)生斷裂。正常情況下，銷軸的設(shè)計(jì)壽期為2 年以上，認(rèn)為銷軸質(zhì)量不符合當(dāng)前設(shè)計(jì)和使用要求。

銷軸實(shí)物包括：新銷軸1 根（試樣號(hào)a）；3 根未斷裂銷軸（試樣號(hào)b、c、d），其中2 根腐蝕嚴(yán)重銷軸（試樣號(hào)c、d）；4 根斷裂銷軸（試樣號(hào)e、f、g、h）；1 根安裝于3#濾網(wǎng)未發(fā)生腐蝕的銷軸（試樣號(hào)i）。其中，新銷軸a、2#濾網(wǎng)當(dāng)前使用的銷軸b～h、3#濾網(wǎng)銷軸i 分別屬于3 個(gè)不同的制造批次（圖1）。

圖1 銷軸實(shí)物

3 銷軸材料失效分析

對(duì)比使用狀態(tài)良好的銷軸，通過(guò)宏觀檢查、化學(xué)成分檢驗(yàn)、金相結(jié)構(gòu)分析、硬度測(cè)試和電化學(xué)試驗(yàn)等，分析銷軸斷裂的原因。選取銷軸試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)、金相分析、硬度測(cè)試、斷口檢查、電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目和試樣件的選擇見(jiàn)表1。其中，選取未斷裂、腐蝕不嚴(yán)重的銷軸b 作為試樣，若試驗(yàn)結(jié)果證明在材料性能方面存在問(wèn)題，則證明已斷裂或腐蝕的2#濾網(wǎng)銷軸存在同樣問(wèn)題。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目

3.1 宏觀形貌

觀察斷裂的銷軸，發(fā)現(xiàn)斷口呈脆斷特征，斷裂處主要位于兩個(gè)部位：①腐蝕嚴(yán)重的與鏈板接觸部位；②銷軸中間腐蝕輕微的部位。同時(shí)，很多斷裂的銷軸存在環(huán)向的短裂紋。

2#、3#濾網(wǎng)銷軸上均可見(jiàn)明顯的點(diǎn)蝕痕跡，這與3Cr13 馬氏體不銹鋼耐海水腐蝕性較差有關(guān)。發(fā)生腐蝕的c、d、e、f、g 銷軸兩端與鏈板接觸的部位腐蝕尤為嚴(yán)重。與幾乎同期安裝的3#濾網(wǎng)銷軸狀態(tài)對(duì)比，說(shuō)明2#濾網(wǎng)銷軸在海水中的耐蝕性較差，材料方面可能存在問(wèn)題。

3.2 化學(xué)成分

對(duì)試樣a、b、i 進(jìn)行化學(xué)成分分析，與3Cr13 不銹鋼相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1220—2007 比較，結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明：①新銷軸和3#濾網(wǎng)銷軸成分合格；②2#濾網(wǎng)銷軸碳含量偏高，但仍在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，鉻含量偏低，已經(jīng)超出限值，屬于不合格材料。

表2 銷軸化學(xué)元素含量 %

Cr 含量對(duì)于3Cr13 馬氏體不銹鋼的耐蝕性至關(guān)重要，要求含量至少在12.00%以上，方能保證其耐蝕性。Cr 含量偏低加之碳含量高，導(dǎo)致材料硬度會(huì)偏高，容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

3.3 拉伸和沖擊

對(duì)試樣b、i 進(jìn)行拉伸和沖擊測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明：試樣b 抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面延伸率均不達(dá)標(biāo)。這與硬度檢測(cè)的結(jié)論是一致的，說(shuō)明試樣材料具有硬脆傾向，韌性不足，強(qiáng)度較差。

表3 拉伸和沖擊測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論與建議

根據(jù)銷軸材料的失效分析，銷軸斷裂的根本原因歸納為兩種模式：①銷軸中部的斷裂，主要是由于部件表面存在原始裂紋，材料韌性不足是開(kāi)裂的主要原因，海水腐蝕起促進(jìn)作用；②銷軸兩端與鏈板接觸部位的斷裂，主要是由于鏈板與銷軸之間存在電偶腐蝕。

導(dǎo)致銷軸硬脆性高、耐腐蝕性差的主要原因是熱處理工藝不當(dāng)，其次為原材料質(zhì)量較差。當(dāng)前已在制造工藝和質(zhì)量控制方面，從明確熱處理工藝，規(guī)范材料成分、力學(xué)性能、原材料和成品的無(wú)損檢測(cè)要求等方面進(jìn)行管控，質(zhì)量改善效果顯著。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，為保證銷軸的長(zhǎng)效耐腐蝕性，降低脆斷風(fēng)險(xiǎn)，可選擇硬度和強(qiáng)度高、耐蝕性更好的材料，通過(guò)至少3 個(gè)換料周期的檢查，以驗(yàn)證其長(zhǎng)期運(yùn)行的安全可靠性。這對(duì)于降低旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的故障率，提高循環(huán)水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保障電站最終熱阱的安全，具有重要意義。