核電廠柴油機油水分離器濾芯失效分析

方奇術(shù)

（國家電投集團電站運營技術(shù)（北京）有限公司，北京 112209）

0 引言

AP1000 核電廠每臺機組設(shè)置兩臺備用柴油發(fā)電機，其型號為18PA6B，18 缸V 形結(jié)構(gòu)、渦輪增壓、水冷、四沖程、中速、單作用、不可逆的、直接燃料注入式柴油機，轉(zhuǎn)速1000 r/min。與二代核電廠不同，AP1000 核電廠備用柴油發(fā)電機主執(zhí)行包括在模式5 或模式6 下降低RCS 水裝量運行期間支持余熱導(dǎo)出以及在汽輪機發(fā)電機停運且喪失廠外交流電源時，向選定的執(zhí)行縱深防御功能的非安全相關(guān)負荷和1E 級直流和不間斷電源系統(tǒng)的1E 級蓄電池充電器供電。在正常運行期間，柴油機系統(tǒng)運行基本上不需要操縱員干預(yù)，在電廠功率運行期間，柴油發(fā)電機不工作。柴油發(fā)電機由燃油子系統(tǒng)為其提供燃油貯存和輸送，并由燃油子系統(tǒng)油水分離器對燃油進行過濾和脫水以滿足柴油機運行所需的燃油質(zhì)量要求。

該油水分離器在燃油系統(tǒng)運行100～120 h 后出現(xiàn)壓差高報警，更換的新油水分離器濾芯備件后，運行較短時間后再次出現(xiàn)油水分離器壓差高報警。為了分析油水分離器堵塞原因，避免頻繁出現(xiàn)設(shè)備報警，本項目針對油水分離器失效原因進行分析。濾芯失效的影響因素主要有:油中的化學(xué)成分的化學(xué)作用，自然老化，有害雜質(zhì)附著在纖維周圍，加大了油粒與纖維之間的距離，從而減小了纖維吸油粒的吸引力[1]。

1 燃油油水分離器工作原理

圖1 油水分離器濾紙取樣前形貌

圖2 油水分離器玻璃纖維濾紙清洗前后樣品形貌

圖3 玻璃纖維濾紙樣品形貌（50×）

圖4 無紡布濾紙及附著物樣品微觀形貌（50×）

當日用油箱液位低或溫度低時，輸油泵自動啟動，將燃油從儲油罐中抽出，經(jīng)過泵前置過濾器燃油前雙聯(lián)濾器（過濾精度100 目，濾芯為SBL50-32-00 繞線式濾芯），燃油電加熱器、油水分離器、泵后雙聯(lián)過濾器，將潔凈的燃油送到日用油箱中，供柴油機使用。

油水分離器工作原理是燃油進入濾器后經(jīng)轉(zhuǎn)換閥到殼體，由外向內(nèi)通過濾芯進行過濾。所使用的SBL50-09-00 過濾器濾芯由玻璃纖維和無紡布兩道濾紙組成，濾器的生產(chǎn)廠家為張家港圣美意機械有限公司，紙質(zhì)濾芯采用微孔紙質(zhì)濾芯，經(jīng)樹脂處理，制成折疊筒式。紙質(zhì)濾紙具有親水特性，能濾除介質(zhì)中的機械雜質(zhì)，并且能通過破乳、聚結(jié)，使乳化狀態(tài)的水從介質(zhì)中分離出來，并聚結(jié)為較大的水滴，進一步實現(xiàn)凈化燃油。過濾原理:油、水和其他液體的液滴，被聚結(jié)器內(nèi)部的超細纖維捕捉，這些微米級纖維對氣流形成了曲折的通道，迫使固體顆粒和液體霧滴在慣性碰撞、擴散攔截和直接攔截3 種過濾機理的作用下，被超細纖維捕獲，液體表面張力使小液滴聚結(jié)成較大型液滴，在重力的作用，大的液滴沉降至容器底部。玻璃纖維聚結(jié)濾芯采用高密度梯度玻璃纖維制造，為減少破損漏失設(shè)計成整體單片管結(jié)構(gòu)，濾芯表面經(jīng)疏水、疏油處理。

2 理化檢驗與分析

2.1 宏觀形貌分析

通過解體燃油濾芯，發(fā)現(xiàn)濾芯濾紙部分由玻璃纖維和無紡布兩層濾紙組成，分別提取堵塞后濾芯上玻璃纖維和無紡布濾紙樣品，使用無水乙醇進行清洗晾干，并對清洗后前后形貌采用用研究級倒置萬能材料顯微鏡（型號Axiover 200MAT）進行宏觀分析，結(jié)果表明:玻璃纖維濾紙整體顯棕黑色，清洗后濾紙由棕黑色變?yōu)槿榘咨?，玻璃纖維濾紙上50 倍光鏡下未發(fā)現(xiàn)明顯孔洞，邊緣部位可見針狀玻璃纖維；玻璃纖維濾紙清洗后的無清洗液上懸浮大量棕色細小顆粒，靜置風(fēng)干后顯棕色泥狀；無紡布上局部被少量棕色異物附著，光鏡下分布可見孔洞。

2.2 微觀形貌分析

采用丙酮試劑對玻璃纖維濾紙進行清洗，對清洗后的顆粒采用導(dǎo)電紙吸附后，在掃描電鏡下進行觀察。圖5a）為玻璃纖維濾紙上吸附的顆粒微觀結(jié)構(gòu)，顆粒大小在50 μm 左右。圖5b）為丙酮清洗后的玻璃纖維濾紙微觀結(jié)構(gòu)。微觀形貌表明玻璃濾紙吸附有大量顆粒狀固體，附著物造成過濾通道堵塞，造成濾紙過濾性能失效[2]。

2.3 無紡布濾紙能譜分析

通過對無紡布濾紙上的附著物進行能譜分析。對清洗后的顆粒采用導(dǎo)電紙吸附后，對雜質(zhì)顆粒元素成分進行能譜分析，主要元素成分為C（碳）和O（氧），個別雜質(zhì)顆粒含有少量的Ca（鈣）、Al（鋁）、Mg（鎂）（原子質(zhì)量較小的元素?zé)o法測定，如H（氫）等元素）（圖6）。能譜分析表明，顆粒物不含F(xiàn)e（鐵）、Mo（鉬）、Mn（錳）等金屬元素，可以排除堵塞顆粒由燃油系統(tǒng)設(shè)備管道磨損或腐蝕產(chǎn)生。

2.4 玻璃纖維濾紙能譜分析

對清洗后的顆粒采用導(dǎo)電紙吸附后，對雜質(zhì)顆粒元素成分進行能譜分析，主要元素成分為C 和O，雜質(zhì)顆粒含有少量Si（硅）、Ca、Al、Mg 等元素（圖7）。對采用丙酮清洗后玻璃纖維濾紙進行能譜分析，主要元素成分為C 和O，并含有少量的Na（鈉）、Ca、Si、Al 等元素成分（圖8）。顆粒元素成分不含F(xiàn)e，說明雜質(zhì)非設(shè)備及管路系統(tǒng)產(chǎn)生的。

2.5 濾紙清洗試驗

圖5 玻璃纖維上的顆粒微觀結(jié)構(gòu)（白色條狀物質(zhì)為玻璃纖維）

圖6 無紡布上吸附的雜質(zhì)顆粒能譜分析結(jié)果

圖7 玻璃纖維上吸附的雜質(zhì)顆粒能譜分析

圖8 清洗后的玻璃纖維能譜分析結(jié)果

表1 油水分離器濾紙清洗后質(zhì)量變化情況

表2 燃油油質(zhì)分析結(jié)果

對新更換下來的油水分離器濾芯進行整體烘干稱重試驗，烘干前后重量變化示。然后，對濾芯進行解體，并完整取下無紡布濾紙和玻璃纖維濾紙，采用無水乙醇浸泡清洗并過濾，對清洗下來的雜質(zhì)進行烘干稱重（表1）。兩道濾紙清洗前后共計減重400 g，初步估算濾紙所吸附的雜質(zhì)顆粒約為400 g，輸油泵（DOS-MP01A/B）流量為8 m3/h，共計運行約120 h，燃油中所含有油水分離器濾芯不可通過雜質(zhì)含量為0.41 g/m3。根據(jù)《石油產(chǎn)品質(zhì)量檢驗報告》，該燃油密度（20 ℃）為851.4 kg/m3，計算出雜質(zhì)含量為4.816×10-7（質(zhì)量分數(shù)）。根據(jù)GB/T 511—2011《石油和石油產(chǎn)品及添加劑機械雜質(zhì)測定法》規(guī)定機械雜質(zhì)小于5×10-5（質(zhì)量分數(shù)）時，雜質(zhì)含量為4.816×10-7可認為無機械雜質(zhì)，油品雜質(zhì)含量是合格滿足要求的。

2.6 柴油油品分析

柴油潔凈度是衡量其濾網(wǎng)通過性能的一項重要指標，若柴油的潔凈度不好，會引起濾網(wǎng)堵塞，導(dǎo)致燃油供應(yīng)不足，影響燃油系統(tǒng)運行。我國現(xiàn)行的柴油標準中關(guān)于潔凈度的指標主要是機械雜質(zhì)，同時還可將氧化安定生視為影響柴油潛在潔凈度的指標。測定機械雜質(zhì)時采用的方法是GB/T 511—2010《石油和石油產(chǎn)品及添加劑機械雜質(zhì)測定法》，它反映的是柴油中已經(jīng)存在的且不溶于甲苯的固體顆粒物。測定氧化安定性的依據(jù)是SH/T 0175—2004《餾分燃料油氧化安定性測定法（加速法）》，在進行試驗前，要求對樣品進行預(yù)過濾，以除去已經(jīng)形成的可濾出物或者其中攜帶的固體雜質(zhì)，因此它反映的是柴油在儲存過程中形成可濾出物的傾向。

本文對柴油田對燃油系統(tǒng)中的日用油箱A、日用油箱B、儲存箱A、儲存箱B 柴油油品進行檢測，檢測結(jié)果表明燃油系統(tǒng)燃油品質(zhì)滿足GB/T 19147—2003《車用柴油要求》[3]。該燃油檢測結(jié)果與濾芯清洗試驗推算的機械雜質(zhì)含量基本一致（表2）。

2.7 失效原因分析

顆粒污染會導(dǎo)致油水分離器水分離效率降低或失效。纖維組織間沉積大量顆粒物，導(dǎo)致濾芯的局部面流速增大，水分在濾芯表面停留時間縮短；纖維表面親油疏水涂層被顆粒物包裹，細小顆粒與疏水基團隔離，從而無法快速吸附、聚結(jié)、沉降水滴。壓差達到一定值后，細小顆粒具有自適應(yīng)能力可發(fā)生形變通過濾材，油水分離器喪失除水功能。

過濾出的顆粒能譜分析顯示不含F(xiàn)e、Mo、Mn 等金屬元素，可以排除堵塞顆粒由燃油系統(tǒng)設(shè)備管道磨損或腐蝕產(chǎn)生。

濾芯清洗試驗表明，濾芯濾紙所吸附的顆粒總量為400 g，根據(jù)流量和管路運行時間推算，燃油中該濾芯能吸附的顆粒含量約為0.481 6×10-6，雜質(zhì)含量小于5×10-5，油品雜質(zhì)含量是合格的，滿足GB 252—2015 普通柴油技術(shù)要求中機械雜質(zhì)含量相關(guān)要求，與燃油取樣分析結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論與建議

根據(jù)本文試驗分析結(jié)果與原因分析，提出以下改進建議:

（1）根據(jù)運行情況，按期更換濾芯，或更換吸附能力更強或使用壽命更長濾芯以延長使用時間。

（2）參考其他核電廠對燃油系統(tǒng)管線進行優(yōu)化設(shè)計或改造，如使用可反沖洗式燃油過濾器等，避免濾芯反復(fù)更換。