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    循環(huán)水鼓形濾網(wǎng)齒條斷裂原因分析及處理

    2022-07-06 03:35:00李國才周仕雄
    設(shè)備管理與維修 2022年3期
    關(guān)鍵詞:灰鑄鐵齒條濾網(wǎng)

    付 勇,孫 杰,白 川,陳 淼,李國才,周仕雄

    (中核核電運行管理有限公司維修三處,浙江嘉興 314300)

    0 引言

    鼓形濾網(wǎng)是壓水堆核電廠循環(huán)水系統(tǒng)的主要過濾設(shè)備之一,用于去除海水中的細(xì)小雜物,以保證下游泵、換熱器等設(shè)備的正常運行。

    某電廠鼓形濾網(wǎng)型號為GWNS19×5.0(圖1),濾網(wǎng)直徑19 m,有效寬度4.16 m,采用雙速電機(jī)驅(qū)動,網(wǎng)片直徑4.2 mm,主軸安裝成與攔污柵的平面平行,水流由內(nèi)向外流動。污物被攔截于鼓形濾網(wǎng)內(nèi)側(cè),通過反沖洗水系統(tǒng)沖洗后從排污管道排出。其中齒條材料是以灰鑄鐵為基體的鎳鉻鑄鐵,小齒輪材質(zhì)是單體澆鑄的MC901尼龍。

    圖1 鼓形濾網(wǎng)

    1 問題

    某電廠功率運行期間發(fā)生鼓形濾網(wǎng)齒條斷裂缺陷,如果不及時處理,斷裂的齒條可能掉落至鼓網(wǎng)坑,造成鼓形濾網(wǎng)傳動失效而停運,嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運行。

    鼓形濾網(wǎng)整圈齒軌上安裝有60 根齒條,每根齒條長約1 m,通過4 顆M24 螺栓固定在齒軌上,兩側(cè)及中間部位設(shè)計凸臺支撐整個齒條。斷裂位置在齒條中間靠近凸臺位置的齒根部位(圖2),齒條材料牌號為鎳鉻鑄鐵STNi2Cr,鑄件基體為HT300。

    圖2 齒條斷裂位置

    2 原因分析

    為確定齒條斷裂原因,制定針對性的處理措施,避免類似問題重復(fù)發(fā)生,對斷裂的齒條進(jìn)行失效分析。

    2.1 試驗方法

    根據(jù)測試和分析需要,對齒條分別進(jìn)行宏觀檢查、化學(xué)成分分析、拉伸性能檢驗、金相檢驗和斷口微觀分析。

    (2)化學(xué)成分分析:在齒條上取屑進(jìn)行化學(xué)成分分析,檢測標(biāo)準(zhǔn):GB/T 20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》,CSM 07039401—2003《合金鋼:錳、磷、鉻、鎳、鉬、銅、釩、鈷、鈦、鋁含量的測定:電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》。

    (3)硬度測試:對齒條靠近斷口處及遠(yuǎn)離斷口處齒部取樣的齒表面和基體分別進(jìn)行布氏硬度測試,測試標(biāo)準(zhǔn):GB/T 231.1—2018《金屬布氏硬度試驗第一部分:試驗方法》。

    (4)室溫拉伸性能測試:對齒條靠近斷口處及遠(yuǎn)離斷口處分別取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗,拉伸試樣按照GB/T 9439—2010《灰鑄鐵件》標(biāo)準(zhǔn)中表5 采取直徑10 mm 的圓棒狀拉伸試棒,測試標(biāo)準(zhǔn):GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分:室溫試驗方法》。

    (5)室溫沖擊性能測試:對齒條靠近斷口處及遠(yuǎn)離斷口處分別取樣進(jìn)行室溫沖擊性能測試。測試標(biāo)準(zhǔn):GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》。

    (6)金相檢驗:在對齒條靠近斷口處及遠(yuǎn)離斷口處齒部截取試樣進(jìn)行金相檢驗,測試標(biāo)準(zhǔn):GB/T 7216—2009《灰鑄鐵金相檢驗》和GB/T 13299—1991《金屬顯微組織檢驗方法》。

    (7)斷口微觀分析:將齒條斷口放入掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌,檢測標(biāo)準(zhǔn):JY/T 010—1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。

    2.2 檢驗結(jié)果

    2.2.1 宏觀檢查

    第三次熔頂發(fā)生在第一道氣環(huán)閉口間隙值較小的第二缸、第三缸,從表1看出,其二、三缸的閉口間隙值是偏小的,與第二次熔頂?shù)脑蝾愃疲溟]口間隙值偏小是造成拉缸、熔頂?shù)母驹颉?/p>

    宏觀檢查發(fā)現(xiàn)齒條斷裂位置位于靠近底部凸臺一側(cè)邊緣的齒根處,斷口較為平齊,沒有明顯的塑性變形,但可見由齒根側(cè)向外輻射的擴(kuò)展放射條紋,斷面呈深土黃色,磨損及銹蝕較為嚴(yán)重,為脆性斷裂斷口(圖3)。同時發(fā)現(xiàn)齒面存在明顯的偏磨現(xiàn)象,與齒底部凸臺對應(yīng)位置的齒面磨損尤為明顯,且齒條中段的齒底部凸臺兩側(cè)(和墊片接觸位置)有明顯的磨損痕跡。

    圖3 齒條斷口宏觀形貌

    2.2.2 化學(xué)成分

    在斷裂齒條上取樣鉆取部分鐵屑,利用PerkinElmer Optima210 0DV 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和C、S 分析儀進(jìn)行螺栓的化學(xué)成分分析,并與廠家技術(shù)條件要求對比,化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

    表1 化學(xué)成分檢驗結(jié)果wt%

    化學(xué)成分分析結(jié)果表明,齒條的C 含量略高于廠家技術(shù)條件要求的上限值,Si 含量略低于廠家技術(shù)條件要求的下限值,其余元素的含量均在廠家技術(shù)條件要求的成分范圍內(nèi)。

    2.2.3 硬度試驗

    依據(jù)GB/T 231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗 第1 部分:試驗方法》,對齒條取樣齒面和基體進(jìn)行布氏硬度測試,測試設(shè)備為HBS-3000 型數(shù)顯布氏硬度計,測試條件:負(fù)荷187.5 kg,負(fù)荷保持時間10 s,測試結(jié)果見表2。

    表2 布式硬度試驗結(jié)果HBW

    硬度測試結(jié)果表明,齒條兩位置取樣的齒面硬度、齒頂側(cè)基體硬度及遠(yuǎn)離斷口處取樣的齒中部基體硬度均偏高。

    2.2.4 拉伸性能試驗

    依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分:室溫試驗方法》,對斷裂齒條取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗,拉伸試驗在日本島津AG-IC 100 kN 精密電子萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行。試驗結(jié)果見表3。

    表3 室溫拉伸性能試驗結(jié)果

    室溫拉伸試驗結(jié)果表明,齒條本體取樣的抗拉強(qiáng)度低于GB/T 9439—2010 標(biāo)準(zhǔn)中對壁厚40~80 mm 的HT300 鑄件本體取樣的要求。

    2.2.5 沖擊性能

    依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》,采用ZwickAMSLER RKP 450 沖擊試驗機(jī)對斷裂齒條取樣進(jìn)行室溫沖擊試驗,錘刃半徑2 mm,擺錘角度150°,打擊能量150 J,缺口類型為V 形。試驗結(jié)果見表4。

    表4 室溫沖擊性能檢驗結(jié)果

    GB/T 9439—2010 標(biāo)準(zhǔn)中對灰鑄鐵的沖擊性能未做規(guī)定,從沖擊性能試驗結(jié)果來看,斷裂齒條的沖擊功較低(1.0 J)。

    2.2.6 金相檢驗

    依據(jù)GB/T 7216—2009《灰鑄鐵金相檢驗》,采用ZEISS AXIOVERT 200 MAT 研究級倒置萬能金相顯微鏡,對斷裂齒條取樣進(jìn)行金相檢驗,包括拋光態(tài)下的石墨分布形狀,及經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后的組織形態(tài)檢驗,檢驗結(jié)果見表5,金相檢驗照片見圖4、圖5。

    圖4 齒條斷口附近取樣拋光態(tài)石墨形狀

    圖5 齒條遠(yuǎn)離斷口處取樣拋光態(tài)石墨形狀

    表5 金相組織檢驗結(jié)果

    金相檢驗結(jié)果表明,斷裂齒條斷口附近和遠(yuǎn)離斷口斷口處取樣的金相組織沒有明顯差異,均為灰鑄鐵的典型組織,齒頂側(cè)組織較細(xì),且存在明顯的枝晶偏析現(xiàn)象,石墨類型以F 型為主,這是由于齒頂側(cè)在凝固過程中過冷度較大,冷速較快造成的,未見明顯的氣孔、疏松等缺陷。

    2.2.7 斷口電鏡微觀觀察

    對齒條的斷口取樣在掃描電鏡下進(jìn)行微觀觀察,試驗儀器為ZEISSMerlin Compact 場發(fā)射掃描電子顯微鏡,TESCAN VEGA TS5136XM 掃描電子顯微鏡,斷口電鏡微觀照片見圖6。通過對齒條斷口的掃描電鏡微觀觀察可以看出,斷裂齒條斷口表面無明顯塑性變形特征,但斷面已完全被腐蝕,難以觀察到原始斷裂特征。

    圖6 齒條斷掃描電鏡微觀照片

    2.3 分析小結(jié)

    綜上檢驗結(jié)果分析,鼓網(wǎng)齒條的斷裂位置位于靠近底部凸臺一側(cè)邊緣的齒根處,由擴(kuò)展放射條紋可以看出,裂紋由齒根處啟裂并向底部側(cè)迅速擴(kuò)展并最終斷裂,為脆性斷裂斷口。齒根處為應(yīng)力集中位置,同時檢查發(fā)現(xiàn),齒條中段的齒底部凸臺兩側(cè)(和墊片接觸位置)有明顯的磨損痕跡,且與齒底部凸臺對應(yīng)位置的齒面磨損尤為明顯,另據(jù)現(xiàn)場檢修反饋,重新安裝齒條時發(fā)現(xiàn)齒條中部架在齒軌固定螺栓墊片上導(dǎo)致齒條整體翹起,齒條無法直接安裝到位。由此表明,墊片尺寸較大影響了該處齒條安裝的平整度,進(jìn)一步加劇了底部凸臺對應(yīng)位置齒根處的應(yīng)力集中程度。

    其次,對斷裂齒條的理化性能檢驗表明,齒條的C 含量略高于廠家技術(shù)條件要求的上限值,Si 含量略低于廠家技術(shù)條件要求的下限值,Si/C 為0.41,處于較低水平,而研究表明,Si/C 值過低會影響鑄件的內(nèi)在質(zhì)量,增大斷面敏感性,降低彈性模量和形變抗力。再者,齒條本體取樣的抗拉強(qiáng)度明顯偏低,且齒條為珠光體類灰鑄鐵,其鑄造性能好,但脆性較大(沖擊功為1.0 J)以及較低的強(qiáng)度和沖擊韌性,將導(dǎo)致齒條在運行過程中,應(yīng)力集中部位更易產(chǎn)生裂紋,而一旦出現(xiàn)裂紋萌生,就會引起裂紋的快速擴(kuò)展至最終脆性斷裂。

    3 處理措施及建議

    鼓形濾網(wǎng)齒條斷裂后直接影響設(shè)備運行,停運鼓網(wǎng)進(jìn)行齒條更換,并對齒軌連接墊片(圖7)寬度進(jìn)行打磨,避免與新齒條中間凸臺干涉,造成額外應(yīng)力集中,同時結(jié)合斷裂齒條進(jìn)行的相關(guān)檢驗和綜合分析,提出以下改進(jìn)建議:①加強(qiáng)對齒條材料的檢驗,確保齒條的各項性能滿足廠家技術(shù)條件及標(biāo)準(zhǔn)的要求;②考慮采用耐磨性滿足要求,但強(qiáng)度更高、沖擊韌性更佳的材料制造齒條,確保齒條滿足使用要求。

    圖7 齒軌連接墊片位置

    更換新齒條后運行一個循環(huán)周期(18 個月)未出現(xiàn)齒條斷裂等異常情況。

    4 結(jié)論

    通過鼓形濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點及齒條斷裂原因分析可知,斷裂齒條的化學(xué)成分及齒面硬度不滿足廠家技術(shù)條件的要求,斷裂齒條本體取樣的抗拉強(qiáng)度低于GB/T 9439—2010 標(biāo)準(zhǔn)的要求,齒條斷裂方式為典型的灰鑄鐵脆性斷裂。因齒條及齒軌本身不平整度以及齒軌墊片的干涉,在齒條中部產(chǎn)生應(yīng)力集中,應(yīng)力集中部位容易產(chǎn)生裂紋,裂紋萌生后引起快速擴(kuò)展至最終脆性斷裂,本文分析所得結(jié)論和處理建議對同類型鼓形濾網(wǎng)運行維護(hù)、備件管理具有一定的參考意義。

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