核电厂循环水系统二次滤网网板失效分析与改进

崔甫超 赵兴保 戴猛 郑德旭

福建福清核电有限公司 福建福清 350318

1 概述

核电厂循环水系统二次滤网是用于除去凝汽器循环水侧涵道中的海生物以及渣屑，在运行过程中，利用凝汽器系统本身压差和水流的反向流动来冲洗网芯表面的附着物，并通过排污管道排除垃圾杂物。某电厂M310二代改进型压水堆核电机组在实施二次滤网检修时发现二次滤网的部分网板破裂，且未发现网板处存在异物。

本文通过对二次滤网网板失效进行设计调查和失效调查，开展一系列测试及分析，给出综合分析结果及失效原因，并针对性给出改进建议，以保证核电厂二次滤网的安全可靠性[1]。

2 失效调查

2.1 设计调查

某核电站机组共有四台二次滤网，每台二次滤网由滤水机构、排污机构、驱动机构、控制单元、操作单元、保护装置、牺牲阳极保护装置七部分组成。二次滤网滤水机构主要由筒体、滤芯（多单元隔仓式）、进出水室、法兰等部件组成，其中滤芯包含16片可更换的网板。

二次滤网的网板如图1所示，是圆弧台型滤网，由2mm厚的板材经加工网孔及螺栓孔后，再由成型工装进行一次弯曲成型而成。网板两侧有22个螺栓孔，设备通过螺栓孔方便的安装和拆卸网板，同时在每个网板的背水面布置两个2个弧形撑杆，弧形撑杆如图2所示。

图1 二次滤网网板示意图

图2 弧形支撑

2.2 失效调查

图3为网板开裂图，网板右边缘和网孔区从网板尾部开始裂开，直至网板头部第二颗螺栓孔和第三颗螺栓孔之间，未完全裂开。在这条开裂线上还存在两个次要裂纹，这两条开裂线与主裂纹线垂直，分别离尾部约32cm和71cm，位于网板背水面弧形撑杆处，同时该网板的开孔区的一部分已经从网板上脱离。

3 测试及分析

通过体视观察、成分分析、金相检验、非金属夹杂检测、拉伸试验及应力分析对失效的网片进行分析。

3.1 体视观察

使用蔡司体视显微镜对网板开孔位置进行观察，可以明显观察到网孔圆周区域有飞边、毛刺以及细小缺口，网孔内表面有明显的工痕迹，划痕沿着网孔法线方向，如图4所示。

图3 滤网开裂

图4 开孔及孔内侧体视观察

为便于观察，将网板分割成小块，对分割后的网板进行编号，如图5所示，分别对各样品断口表面进行观察。

图5 网板切割样品编号

使用蔡司体视显微镜对301#样本网板尾部断口进行宏观检验，如图6所示。断口表面有明显可以观察到多条分布规律的疲劳弧线，疲劳弧线的曲率中心点位于断口左上角，根据疲劳弧线可以判断该区域所遭受的交变载荷垂直于疲劳弧线，而根据该部分的结构可知，该疲劳开裂是网板背水面受到的交变载荷和网孔内表面受到的交变载荷共同作用的。

表1 旋转滤网网板化学成分（直读光谱仪SPECTROLABLAVM11）

图6 301#样尾部断口形貌

将尾部断口左上方区域放大观察，可观察到一个明显表面缺陷，如图7所示，根据疲劳弧线的分布，可推断出该表面缺陷区域为疲劳源区，这个表面缺陷可能是网板在进行加工时造成的。将尾部断口右侧区域放大观察，可以观察到该区域表面呈现粗糙的晶粒状脆断，如图8所示，可推断出该区域为瞬断区。

图7 301#样尾部断口裂纹源

图8 301#样尾部断口瞬断区

使用蔡司体视显微镜对多处孔桥断口进行观察，断口上方是背水面，下方是迎水面，左侧朝向网板头部方向，右侧朝向网板尾部方向，如图9所示。图中三个孔桥断口形貌特征一致，断口面上方区域断面齐整，下方为瞬断区。

图9 301#样孔桥断口形貌

观察到302#多处孔桥出现裂纹，如图10中圆圈位置所示。取图中方框位置的网孔进行体视观察，放大图10方框，如图11所示。在图中标识出分割的样品的位置，并使用箭头标识出观察孔桥断口和网孔内表面的视角。

图10 302#网孔孔桥裂纹形貌

图11 302#孔桥裂纹观察视角示意图

图12为孔桥断口的形貌，从图中可以看出断口粗糙，断口左上角光亮，断面上有较多裂纹，其中一条大裂纹扩展到网孔内表面上。在图13为网孔内表面形貌，内表面上存在一条几乎贯穿网板厚度方向的裂纹。

图12中的孔桥断口区域对应在网板弧形撑杆的位置，根据断口形貌，分析认为，当该区域的网板在失去一侧的约束后，在海水的正向（网板在弧形撑杆的支撑作用下，位移被约束）和反向的冲击下，发生塑性变形，最终开裂。

3.2 成分分析

使用直读光谱仪检测样品检测旋转滤网网板化学，检测结果见表1。

厂家设计文件中明确网板材料牌号为S32205，该材料是22%铬双相(奥氏体/铁素体)钢，具有耐受抗氯化物环境和硫化物应力腐蚀的能力，强度大约是标准奥氏体不锈钢强度的两倍。经核查，该网板材料成分满足标准要求。

3.3 金相检验

选取网板301#样进行金相制样，样品为网板基体，对网板截面进行侵蚀，以显示金属的显微组织，检验标准为GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》[2]。

图12 视角1断口形貌

图13 视角2网孔内表面形貌

金相检验结果显示该材料为奥氏体组织与铁素体组织，铁素体和奥氏体相各约占50%。

3.4 拉伸试验

取网板301#样制样，进行拉伸试验。本试验所参照的标准为GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分：室温拉伸方法》，检测结果如表2所示。查询S32205牌号材料的相关标准，可知本样品的拉伸性能满足标准要求。

表2 旋转滤网网板拉伸试验结果

3.5 受力分析

（1）网板受力分析。二次滤网的网板受力十分复杂，不同的工况下受力不一样，例如核电机组发电功率不同时，凝汽器对冷源的需求不同，即循环水管道中的流量、压力不同；二次滤网被堵塞时，网板前后的压差不一样；二次滤网旋转以及对网板进行反冲洗时，网板前后的压差也不一样。因此网板的受力十分复杂。

通过有限元分析计算网板的应力分布，如图14、图15、图16所示。因网板是对称的，为便于观察，图中只显示一半的网片。从图中可以看出，不同的压差下，网片上的应力分布规律一致。同时根据计算结果可知，在最大的滤网压差（86kPa）下，网板应力极值也远小于材料的屈服强度。

图14 应力分布图10kPa

图15 应力分布图45kPa

图16 应力分布图86kPa

（2）网片应力计算。使用workbench静力学分析模块进行求解网板上的应力分布，考虑到二次滤网中网板的周期性，仅对一片网板进行分析，通过测绘网板获得网板主要几何尺寸，并在三维软件中建立网板几何模型。

根据二次滤网的运行手册：

根据日常参数记录，滤网清洁压差为10±3kpa；

二次滤网前后压差达到45kPa，则判断二次滤网网片已被杂物轻微堵塞；

二次滤网前后压差达到86kPa，则判断二次滤网网片已被堵塞。

故在求解时，分别对网板的迎水面施加10kPa、45kPa和86kPa的压力，同时对网板的22个螺栓孔施加固定约束。

根据求解的应力分布图可知，该网板上的最大应力点位于螺栓孔上，而螺栓孔所在的网片边缘是通过22个螺栓固定在二次滤网的支撑杆上，该区域受到的交变载荷很小或者忽略不计。根据计算，对于网孔区域，最大的应力值出现在网板尾部的网孔区与网板边缘的交界面上。提取分界线的孔桥上的应力值，可以看出，随着网板迎水面上施加的压力值变大，分界线上的孔桥表面应力值也随之增大[3]。

4 综合分析

4.1 分析结果

（1）材质检验。对网板进行了成分分析、金相检验以及拉伸试验，结果表明，二次滤网网板材质化学成分和拉伸性能符合SS32205相应标准的规定，材料金相组织符合双相不锈钢的金相组织特性。

（2）网板开裂机理分析。体视观察网板尾部边缘断口及孔桥断口处的宏观形貌，在网板尾部边缘断口上有疲劳弧线，在孔桥断口表面能观察到疲劳源区和瞬断区，可以判断网板尾部边缘为疲劳断裂。

对于开裂网板，首先是网板尾部边缘发生疲劳断裂，从网板背水面上网孔圆周上应力较大处开裂，向网板尾部以及网板迎水面发展，最终断裂开。当网板尾部边缘断开后，开裂又沿着网板尾部向网板头部的方向行进，直至网板头部，在此过程中，网板的开孔区在网板弧形撑杆位置发生与主裂纹垂直的裂纹。使用有限元软件对网板的应力分布进行求解，印证体视观察的结果。

4.2 失效原因

网板失效与网板设计、加工工艺都有一定关系，改进其中的一项或者多项可以避免网板发生开裂、降低开裂风险或者即使发生开裂网板也能执行期预定功能，具体失效原因如下：

（1）网孔加工工艺不佳，网孔边缘飞边、毛刺较多，存在细小缺陷，这些缺陷是潜在的起裂点；

（2）孔桥布置形式不合理，网板边缘与开孔区的分界线几乎为一条直线，一旦网板尾部边缘发生开裂，很容易从网板尾部开裂至网板头部；

（3）弧形撑杆布置不合理，且部分撑杆与网板间隙过大，未完全起到支撑作用。

5 结论及建议

基于以上失效分析原因，建议采取以下措施，避免或降低二次滤网失效分析的风险：

（1）建议二次滤网供货商在进行网板加工时，提高加工工艺，避免加工时留下飞边、毛刺以及其它缺陷；

（2）合理设计弧形撑杆，根据图2可知，弧形支撑与网板的背水面间距过大，对网板未起到支撑作用。另外，网板尾部区域存在较大的应力，可以在网板尾部增加一个弧形支撑；

（3）建议厂家在制造网板时，合理设计开孔区域，如果将网板边缘与开孔区的分界线设计成锯齿状，则可以有效降低分界线上的应力值，且即使在网板尾部边缘发生了开裂，也不会如直线分界线一样，轻易从网板尾部开裂至网板头部。