核电厂常规岛主给水泵滤网的失效分析和改进

刘元庆，龙 斌，翟传光

（阳江核电有限公司，广东阳江 529941）

0 引言

CPR1000 核电厂常规岛的主给水泵前设置有金属滤网，主要用于过滤二回路主给水中的杂质以及滤网自身和上游可能发生脱落的设备零部件，保护主给水泵及下游设备免受异物损伤，尤其是保护蒸汽发生器传热管。

某核电厂常规岛主给水泵前的编织滤网使用约2～3 年后，在流体扰流作用下，滤网局部出现不锈钢丝磨损断裂，最终导致滤网局部破损。本文通过对滤网失效原因的分析和研究，提出采用金属烧结结构滤网的改进方案，并介绍了金属烧结滤网改进方案以及工程应用效果。

1 滤网失效的原因分析

1.1 滤网结构介绍

某核电厂常规岛主给水泵前滤网主要由多孔不锈钢支撑板、三层316 不锈钢丝编织滤布（1 mm 钢丝编制的4 mm 孔径滤布、0.32 mm 钢丝编制的0.9 mm 孔径滤布、0.7 mm 钢丝编制的2.5 mm 孔径滤布）、滤布不锈钢压紧条及紧固螺栓等部件组成（图1），滤筒直径500 mm，长度2400 mm，属于T 形工业滤网。滤网设计口径为DN22″，设计压力不超过3 MPa，额定流量3250 t/h。清洁滤网本体在额定流量下理论压降不超过0.02 MPa。滤网投运系统后，叠加测量管线压降，系统测得滤网压降不超过0.04 MPa。流体由滤网左侧开口进入滤网内部，介质经滤网过滤后进入滤网与筒体间隙，环流至右侧筒体出口流出。

图1 主给水泵前滤网

滤网的三层滤布通过环向的4 根不锈钢压条和紧固螺栓（图2），固定在多孔不锈钢筒上，用于缓解介质流通滤网时三层滤布的振动。

图2 改进前的滤网结构

1.2 滤网磨损形貌分析

该型号金属编织滤网投运2～3 年后，现场检查发现滤网局部存在明显缺陷。滤网缺陷主要表现为滤网不同层滤布的不锈钢丝明显磨损，滤布不锈钢丝与多孔不锈钢筒存在明显磨损，摩擦区域滤网不锈钢丝已出现断裂。在水流的不断冲击下，不锈钢丝断裂位置逐渐发展为滤布的局部破损（图3）。

图3 改进前滤网磨损失效形貌

1.3 磨损原因分析

滤网左侧进口处，滤布不锈钢丝水流近乎平行于滤网滤布表面进入，滤网入口处，贴近滤布表面的局部水流扰动容易引起滤网滤布的分层，中间夹层的滤布不锈钢丝就会出现局部振动，多层滤布不锈钢丝之间、滤布不锈钢与多孔不锈钢骨架出现摩擦，最终导致不锈钢网丝的磨损断裂。

滤布不锈钢丝刚度较低，在长度2.4 m 的滤网多孔支撑筒上，通过4 个宽40 mm 的环形压紧条进行加固，难以实现各层滤布与多孔不锈钢骨架的紧密结合。但环向压紧条过多，就会影响滤网的通流面积。而且增加环向压紧条或改为网状压紧条，不能从根本上解决滤布之间无法完全贴紧的问题，随着运行时间的加长，仍不可避免地出现网丝磨损断裂的情况。

2 滤网的改进

2.1 改进思路

编织滤网破损的根本原因是多层滤布不能完全贴合，在水流冲击作用下，滤布不锈钢丝磨损断裂。滤网改进方案需要从根本上解决各层滤布无法紧密贴合问题。根据以上改进思路，决定采用金属烧结技术，将不同层的滤布直接烧结为一体，从根本上解决了流体扰动情况下滤布不锈钢丝的振动磨损问题。

2.2 改进要求

金属烧结滤网的外形尺寸为2480 mm×700 mm×700 mm，需保持与原设计一致，滤网过滤精度由0.8 mm 提升至0.4 mm，在额定流量3250 t/h 的工况下，清洁滤网理论压降不超过0.02 MPa，叠加系统测量管线压降，投运后滤网的测量压降不超过0.04 MPa，设备允许运行的最高温度为200 ℃。

烧结滤网耐压强度不低于原设计编织滤网。烧结滤网连接头及滤筒、滤筒连接环的材料为S30408 不锈钢，滤网丝网材料采用S31603 不锈钢。

2.3 改进方案

金属烧结滤网的滤芯是在已有编织滤网的基础上，经过设计结构改进和生产工艺优化而来。烧结滤网是将多层不锈钢丝编织的滤布经加压、烧结、轧制等工艺，采用真空烧结至1200 ℃，令各滤布不锈钢丝接触点扩散固溶，使其具有稳定的过滤精度和良好的耐压性能，在不改变原滤网主体尺寸结构的前提下实现滤网可靠性提升。

改进型滤网整体结构设计由4 层组成，包括1 层多孔不锈钢支撑孔板和3 层编织滤网，分别是0.9 mm 钢丝编制的2 mm 孔径滤布、0.36 mm 钢丝编制的0.9 mm 孔径滤布和0.19 mm 钢丝编制的0.4 mm 孔径滤布。4 层结构通过叠放加压加热烧结在一起，滚轧成圆桶形，侧边通过支撑孔板边缘焊接在一起，然后将焊接完的3 段滤筒通过连接环焊接在一起，组装成整个滤网（图4）。

图4 烧结滤网结构

2.3.1 烧结滤网压降计算

烧结滤网采用三层网丝与不锈钢多孔支撑板烧结而成，滤网网芯强度得到提升，使滤网精度提升成为可能，烧结滤网网芯的过滤器精度由原编织滤网的0.8 mm 提升至0.4 mm。过滤精度提升后，同样尺寸的烧结滤网压降会大于原编织滤网。为了降低烧结滤网压降，满足清洁烧结滤网理论压降不大于0.02 MPa的设计要求，通过计算，需要将烧结滤网的多孔支撑板开孔率由原来的39%增加至42%。改进后的滤芯参数见表1。

表1 改进后的滤芯参数

按照40 目滤网的参数展开计算，参考HG/T 21637—2021《化工管道过滤器》标准，查得40 目不锈钢丝网的丝径为Φ0.193 mm，有效面积49%。滤芯的压降按公式（1）进行计算：

式中 ΔP1——滤芯压降，Pa

Q——流量，Q=3250 t/h=3700 m3/h=1.027 m3/s

ρ——流体密度，ρ=866 kg/m3

A0——滤网通孔面积，A0=0.775 m2

ξ——阻力系数

代入数据计算，可得ΔP1=866×24×（1.027/0.775）2/2=18 246 Pa≤0.02 MPa。

当雷诺数Re≥400 时，阻力系数按公式（2）计算：

式中 A——过滤面积，A=3.768 m2

V——流过滤芯液体流速，V=Q/A0=1.32 m/s

dw——网丝径，dw=0.19×10-3m

υ——流体运动黏度，υ=1.55×10-7m2/s

代入数据计算，可得ξ=1.3（1-A0/A）+（A/A0-1）2=24。

经计算，改进后烧结滤网多孔支撑筒开孔率调整到42%，即开Φ4 mm 的孔，孔中心间距为6 mm，改进后过滤精度提升为0.4 mm 的烧结滤网压降满足改进要求。

2.3.2 烧结滤网强度校核

烧结滤网支撑孔板开孔率增加的情况下，为保证烧结滤网整体耐压能力不低于原编织滤网，经计算，多孔支撑筒的开孔率增加至42%，烧结滤网将开孔直径由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，可以保证烧结滤网支撑筒开孔虑增加的同时支撑筒的承载能力不下降。

2.4 烧结滤网工艺

首先对单层不锈钢丝编制的滤布进行轧制，将单层滤布轧制平整，厚度误差不超过±0.02 mm（图5a））。将各层滤布以及多孔不锈钢板按顺序叠加，用电焊机对其侧面进行点焊后，整体放入真空烧结炉中进行一次烧结。真空烧结炉从室温开始升温，1 h 升温至600 ℃，2 h 升温至900 ℃，3.5 h 升温至1100 ℃，再经过1.5 h 升温至1320 ℃并保温3 h。随炉降温500 ℃以下充氮气风冷。要求烧结后丝网版颜色光亮、表面完好，无杂物、融化、污染等缺陷。对烧结成型的滤板进行二次轧制，轧制后滤板平面误差不超过±0.05 mm，轧制完成后再进行二次烧结，烧结成型的滤板进行卷筒和组装焊接，最终制成烧结滤网（图5b））。

图5 滤网

2.5 压降测试

进行压降测试前，参考JB/T 6896—2007《空气分离设备表面清洁度》相关要求完成滤网表面清洁。烧结滤网安装至常规岛主给水系统开展滤网压降测量，滤网压降测量试验共分为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（额定运行流量）8 个平台。测量记录每个平台滤网压降和流量数据。结果显示，改进后的烧结滤网满足压差设计要求（表2）。

表2 改进烧结滤网压降测量试验数据

2.6 应用效果

改进后的金属烧结滤网已在某电厂应用超过2 年，日常运行期间状态良好。烧结滤网运行时系统测量压差满足设计要求（不超过0.04 MPa）。大修期间对金属烧结滤网进行检查，滤网状态良好，未见改进前的滤网不锈钢丝磨损、滤网局部破损等异常情况，金属烧结滤网的可靠性明显强于改进前滤网。

3 总结

某电厂常规岛主给水泵滤网磨损破裂的主要原因是结构设计不合理，无法解决流体扰动作用下不同层滤布不锈钢丝的振动磨损问题。改进后的金属烧结滤网，将多层金属编织滤布烧结在一起，从根本上解决了多层滤网层与层之间振动磨损的问题。改进后滤网可靠性得到显著提升，已成功应用于工程实践，效果良好，可以推广至同类机组设备。