核電廠常規島主給水泵濾網的失效分析和改進

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 核電廠常規島的主給水泵前設置有金屬濾網，主要用于過濾二回路主給水中的雜質以及濾網自身和上游可能發生脫落的設備零部件，保護主給水泵及下游設備免受異物損傷，尤其是保護蒸汽發生器傳熱管。

某核電廠常規島主給水泵前的編織濾網使用約2～3 年后，在流體擾流作用下，濾網局部出現不銹鋼絲磨損斷裂，最終導致濾網局部破損。本文通過對濾網失效原因的分析和研究，提出采用金屬燒結結構濾網的改進方案，并介紹了金屬燒結濾網改進方案以及工程應用效果。

1 濾網失效的原因分析

1.1 濾網結構介紹

某核電廠常規島主給水泵前濾網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 形工業濾網。濾網設計口徑為DN22″，設計壓力不超過3 MPa，額定流量3250 t/h。清潔濾網本體在額定流量下理論壓降不超過0.02 MPa。濾網投運系統后，疊加測量管線壓降，系統測得濾網壓降不超過0.04 MPa。流體由濾網左側開口進入濾網內部，介質經濾網過濾后進入濾網與筒體間隙，環流至右側筒體出口流出。

圖1 主給水泵前濾網

濾網的三層濾布通過環向的4 根不銹鋼壓條和緊固螺栓（圖2），固定在多孔不銹鋼筒上，用于緩解介質流通濾網時三層濾布的振動。

圖2 改進前的濾網結構

1.2 濾網磨損形貌分析

該型號金屬編織濾網投運2～3 年后，現場檢查發現濾網局部存在明顯缺陷。濾網缺陷主要表現為濾網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，摩擦區域濾網不銹鋼絲已出現斷裂。在水流的不斷沖擊下，不銹鋼絲斷裂位置逐漸發展為濾布的局部破損（圖3）。

圖3 改進前濾網磨損失效形貌

1.3 磨損原因分析

濾網左側進口處，濾布不銹鋼絲水流近乎平行于濾網濾布表面進入，濾網入口處，貼近濾布表面的局部水流擾動容易引起濾網濾布的分層，中間夾層的濾布不銹鋼絲就會出現局部振動，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摩擦，最終導致不銹鋼網絲的磨損斷裂。

濾布不銹鋼絲剛度較低，在長度2.4 m 的濾網多孔支撐筒上，通過4 個寬40 mm 的環形壓緊條進行加固，難以實現各層濾布與多孔不銹鋼骨架的緊密結合。但環向壓緊條過多，就會影響濾網的通流面積。而且增加環向壓緊條或改為網狀壓緊條，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，仍不可避免地出現網絲磨損斷裂的情況。

2 濾網的改進

2.1 改進思路

編織濾網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。根據以上改進思路，決定采用金屬燒結技術，將不同層的濾布直接燒結為一體，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

金屬燒結濾網的外形尺寸為2480 mm×700 mm×700 mm，需保持與原設計一致，濾網過濾精度由0.8 mm 提升至0.4 mm，在額定流量3250 t/h 的工況下，清潔濾網理論壓降不超過0.02 MPa，疊加系統測量管線壓降，投運后濾網的測量壓降不超過0.04 MPa，設備允許運行的最高溫度為200 ℃。

燒結濾網耐壓強度不低于原設計編織濾網。燒結濾網連接頭及濾筒、濾筒連接環的材料為S30408 不銹鋼，濾網絲網材料采用S31603 不銹鋼。

2.3 改進方案

金屬燒結濾網的濾芯是在已有編織濾網的基礎上，經過設計結構改進和生產工藝優化而來。燒結濾網是將多層不銹鋼絲編織的濾布經加壓、燒結、軋制等工藝，采用真空燒結至1200 ℃，令各濾布不銹鋼絲接觸點擴散固溶，使其具有穩定的過濾精度和良好的耐壓性能，在不改變原濾網主體尺寸結構的前提下實現濾網可靠性提升。

改進型濾網整體結構設計由4 層組成，包括1 層多孔不銹鋼支撐孔板和3 層編織濾網，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 層結構通過疊放加壓加熱燒結在一起，滾軋成圓桶形，側邊通過支撐孔板邊緣焊接在一起，然后將焊接完的3 段濾筒通過連接環焊接在一起，組裝成整個濾網（圖4）。

圖4 燒結濾網結構

2.3.1 燒結濾網壓降計算

燒結濾網采用三層網絲與不銹鋼多孔支撐板燒結而成，濾網網芯強度得到提升，使濾網精度提升成為可能，燒結濾網網芯的過濾器精度由原編織濾網的0.8 mm 提升至0.4 mm。過濾精度提升后，同樣尺寸的燒結濾網壓降會大于原編織濾網。為了降低燒結濾網壓降，滿足清潔燒結濾網理論壓降不大于0.02 MPa的設計要求，通過計算，需要將燒結濾網的多孔支撐板開孔率由原來的39%增加至42%。改進后的濾芯參數見表1。

表1 改進后的濾芯參數

按照40 目濾網的參數展開計算，參考HG/T 21637—2021《化工管道過濾器》標準，查得40 目不銹鋼絲網的絲徑為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——濾網通孔面積，A0=0.775 m2

ξ——阻力系數

代入數據計算，可得ΔP1=866×24×（1.027/0.775）2/2=18 246 Pa≤0.02 MPa。

當雷諾數Re≥400 時，阻力系數按公式（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——網絲徑，dw=0.19×10-3m

υ——流體運動黏度，υ=1.55×10-7m2/s

代入數據計算，可得ξ=1.3（1-A0/A）+（A/A0-1）2=24。

經計算，改進后燒結濾網多孔支撐筒開孔率調整到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 的燒結濾網壓降滿足改進要求。

2.3.2 燒結濾網強度校核

燒結濾網支撐孔板開孔率增加的情況下，為保證燒結濾網整體耐壓能力不低于原編織濾網，經計算，多孔支撐筒的開孔率增加至42%，燒結濾網將開孔直徑由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，可以保證燒結濾網支撐筒開孔慮增加的同時支撐筒的承載能力不下降。

2.4 燒結濾網工藝

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，用電焊機對其側面進行點焊后，整體放入真空燒結爐中進行一次燒結。真空燒結爐從室溫開始升溫，1 h 升溫至600 ℃，2 h 升溫至900 ℃，3.5 h 升溫至1100 ℃，再經過1.5 h 升溫至1320 ℃并保溫3 h。隨爐降溫500 ℃以下充氮氣風冷。要求燒結后絲網版顏色光亮、表面完好，無雜物、融化、污染等缺陷。對燒結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，燒結成型的濾板進行卷筒和組裝焊接，最終制成燒結濾網（圖5b））。

圖5 濾網

2.5 壓降測試

進行壓降測試前，參考JB/T 6896—2007《空氣分離設備表面清潔度》相關要求完成濾網表面清潔。燒結濾網安裝至常規島主給水系統開展濾網壓降測量，濾網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壓降和流量數據。結果顯示，改進后的燒結濾網滿足壓差設計要求（表2）。

表2 改進燒結濾網壓降測量試驗數據

2.6 應用效果

改進后的金屬燒結濾網已在某電廠應用超過2 年，日常運行期間狀態良好。燒結濾網運行時系統測量壓差滿足設計要求（不超過0.04 MPa）。大修期間對金屬燒結濾網進行檢查，濾網狀態良好，未見改進前的濾網不銹鋼絲磨損、濾網局部破損等異常情況，金屬燒結濾網的可靠性明顯強于改進前濾網。

3 總結

某電廠常規島主給水泵濾網磨損破裂的主要原因是結構設計不合理，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。改進后的金屬燒結濾網，將多層金屬編織濾布燒結在一起，從根本上解決了多層濾網層與層之間振動磨損的問題。改進后濾網可靠性得到顯著提升，已成功應用于工程實踐，效果良好，可以推廣至同類機組設備。