核电厂柴油机油水分离器滤芯失效分析

2020-06-15方奇术

设备管理与维修 2020年11期

方奇术

（国家电投集团电站运营技术（北京）有限公司，北京 112209）

0 引言

AP1000 核电厂每台机组设置两台备用柴油发电机，其型号为18PA6B，18 缸V 形结构、涡轮增压、水冷、四冲程、中速、单作用、不可逆的、直接燃料注入式柴油机，转速1000 r/min。与二代核电厂不同，AP1000 核电厂备用柴油发电机主执行包括在模式5 或模式6 下降低RCS 水装量运行期间支持余热导出以及在汽轮机发电机停运且丧失厂外交流电源时，向选定的执行纵深防御功能的非安全相关负荷和1E 级直流和不间断电源系统的1E 级蓄电池充电器供电。在正常运行期间，柴油机系统运行基本上不需要操纵员干预，在电厂功率运行期间，柴油发电机不工作。柴油发电机由燃油子系统为其提供燃油贮存和输送，并由燃油子系统油水分离器对燃油进行过滤和脱水以满足柴油机运行所需的燃油质量要求。

该油水分离器在燃油系统运行100～120 h 后出现压差高报警，更换的新油水分离器滤芯备件后，运行较短时间后再次出现油水分离器压差高报警。为了分析油水分离器堵塞原因，避免频繁出现设备报警，本项目针对油水分离器失效原因进行分析。滤芯失效的影响因素主要有:油中的化学成分的化学作用，自然老化，有害杂质附着在纤维周围，加大了油粒与纤维之间的距离，从而减小了纤维吸油粒的吸引力[1]。

1 燃油油水分离器工作原理

图1 油水分离器滤纸取样前形貌

图2 油水分离器玻璃纤维滤纸清洗前后样品形貌

图3 玻璃纤维滤纸样品形貌（50×）

图4 无纺布滤纸及附着物样品微观形貌（50×）

当日用油箱液位低或温度低时，输油泵自动启动，将燃油从储油罐中抽出，经过泵前置过滤器燃油前双联滤器（过滤精度100 目，滤芯为SBL50-32-00 绕线式滤芯），燃油电加热器、油水分离器、泵后双联过滤器，将洁净的燃油送到日用油箱中，供柴油机使用。

油水分离器工作原理是燃油进入滤器后经转换阀到壳体，由外向内通过滤芯进行过滤。所使用的SBL50-09-00 过滤器滤芯由玻璃纤维和无纺布两道滤纸组成，滤器的生产厂家为张家港圣美意机械有限公司，纸质滤芯采用微孔纸质滤芯，经树脂处理，制成折叠筒式。纸质滤纸具有亲水特性，能滤除介质中的机械杂质，并且能通过破乳、聚结，使乳化状态的水从介质中分离出来，并聚结为较大的水滴，进一步实现净化燃油。过滤原理:油、水和其他液体的液滴，被聚结器内部的超细纤维捕捉，这些微米级纤维对气流形成了曲折的通道，迫使固体颗粒和液体雾滴在惯性碰撞、扩散拦截和直接拦截3 种过滤机理的作用下，被超细纤维捕获，液体表面张力使小液滴聚结成较大型液滴，在重力的作用，大的液滴沉降至容器底部。玻璃纤维聚结滤芯采用高密度梯度玻璃纤维制造，为减少破损漏失设计成整体单片管结构，滤芯表面经疏水、疏油处理。

2 理化检验与分析

2.1 宏观形貌分析

通过解体燃油滤芯，发现滤芯滤纸部分由玻璃纤维和无纺布两层滤纸组成，分别提取堵塞后滤芯上玻璃纤维和无纺布滤纸样品，使用无水乙醇进行清洗晾干，并对清洗后前后形貌采用用研究级倒置万能材料显微镜（型号Axiover 200MAT）进行宏观分析，结果表明:玻璃纤维滤纸整体显棕黑色，清洗后滤纸由棕黑色变为乳白色，玻璃纤维滤纸上50 倍光镜下未发现明显孔洞，边缘部位可见针状玻璃纤维；玻璃纤维滤纸清洗后的无清洗液上悬浮大量棕色细小颗粒，静置风干后显棕色泥状；无纺布上局部被少量棕色异物附着，光镜下分布可见孔洞。

2.2 微观形貌分析

采用丙酮试剂对玻璃纤维滤纸进行清洗，对清洗后的颗粒采用导电纸吸附后，在扫描电镜下进行观察。图5a）为玻璃纤维滤纸上吸附的颗粒微观结构，颗粒大小在50 μm 左右。图5b）为丙酮清洗后的玻璃纤维滤纸微观结构。微观形貌表明玻璃滤纸吸附有大量颗粒状固体，附着物造成过滤通道堵塞，造成滤纸过滤性能失效[2]。

2.3 无纺布滤纸能谱分析

通过对无纺布滤纸上的附着物进行能谱分析。对清洗后的颗粒采用导电纸吸附后，对杂质颗粒元素成分进行能谱分析，主要元素成分为C（碳）和O（氧），个别杂质颗粒含有少量的Ca（钙）、Al（铝）、Mg（镁）（原子质量较小的元素无法测定，如H（氢）等元素）（图6）。能谱分析表明，颗粒物不含Fe（铁）、Mo（钼）、Mn（锰）等金属元素，可以排除堵塞颗粒由燃油系统设备管道磨损或腐蚀产生。

2.4 玻璃纤维滤纸能谱分析

对清洗后的颗粒采用导电纸吸附后，对杂质颗粒元素成分进行能谱分析，主要元素成分为C 和O，杂质颗粒含有少量Si（硅）、Ca、Al、Mg 等元素（图7）。对采用丙酮清洗后玻璃纤维滤纸进行能谱分析，主要元素成分为C 和O，并含有少量的Na（钠）、Ca、Si、Al 等元素成分（图8）。颗粒元素成分不含Fe，说明杂质非设备及管路系统产生的。

2.5 滤纸清洗试验

图5 玻璃纤维上的颗粒微观结构（白色条状物质为玻璃纤维）

图6 无纺布上吸附的杂质颗粒能谱分析结果

图7 玻璃纤维上吸附的杂质颗粒能谱分析

图8 清洗后的玻璃纤维能谱分析结果

表1 油水分离器滤纸清洗后质量变化情况

表2 燃油油质分析结果

对新更换下来的油水分离器滤芯进行整体烘干称重试验，烘干前后重量变化示。然后，对滤芯进行解体，并完整取下无纺布滤纸和玻璃纤维滤纸，采用无水乙醇浸泡清洗并过滤，对清洗下来的杂质进行烘干称重（表1）。两道滤纸清洗前后共计减重400 g，初步估算滤纸所吸附的杂质颗粒约为400 g，输油泵（DOS-MP01A/B）流量为8 m3/h，共计运行约120 h，燃油中所含有油水分离器滤芯不可通过杂质含量为0.41 g/m3。根据《石油产品质量检验报告》，该燃油密度（20 ℃）为851.4 kg/m3，计算出杂质含量为4.816×10-7（质量分数）。根据GB/T 511—2011《石油和石油产品及添加剂机械杂质测定法》规定机械杂质小于5×10-5（质量分数）时，杂质含量为4.816×10-7可认为无机械杂质，油品杂质含量是合格满足要求的。

2.6 柴油油品分析

柴油洁净度是衡量其滤网通过性能的一项重要指标，若柴油的洁净度不好，会引起滤网堵塞，导致燃油供应不足，影响燃油系统运行。我国现行的柴油标准中关于洁净度的指标主要是机械杂质，同时还可将氧化安定生视为影响柴油潜在洁净度的指标。测定机械杂质时采用的方法是GB/T 511—2010《石油和石油产品及添加剂机械杂质测定法》，它反映的是柴油中已经存在的且不溶于甲苯的固体颗粒物。测定氧化安定性的依据是SH/T 0175—2004《馏分燃料油氧化安定性测定法（加速法）》，在进行试验前，要求对样品进行预过滤，以除去已经形成的可滤出物或者其中携带的固体杂质，因此它反映的是柴油在储存过程中形成可滤出物的倾向。

本文对柴油田对燃油系统中的日用油箱A、日用油箱B、储存箱A、储存箱B 柴油油品进行检测，检测结果表明燃油系统燃油品质满足GB/T 19147—2003《车用柴油要求》[3]。该燃油检测结果与滤芯清洗试验推算的机械杂质含量基本一致（表2）。

2.7 失效原因分析

颗粒污染会导致油水分离器水分离效率降低或失效。纤维组织间沉积大量颗粒物，导致滤芯的局部面流速增大，水分在滤芯表面停留时间缩短；纤维表面亲油疏水涂层被颗粒物包裹，细小颗粒与疏水基团隔离，从而无法快速吸附、聚结、沉降水滴。压差达到一定值后，细小颗粒具有自适应能力可发生形变通过滤材，油水分离器丧失除水功能。

过滤出的颗粒能谱分析显示不含Fe、Mo、Mn 等金属元素，可以排除堵塞颗粒由燃油系统设备管道磨损或腐蚀产生。

滤芯清洗试验表明，滤芯滤纸所吸附的颗粒总量为400 g，根据流量和管路运行时间推算，燃油中该滤芯能吸附的颗粒含量约为0.481 6×10-6，杂质含量小于5×10-5，油品杂质含量是合格的，满足GB 252—2015 普通柴油技术要求中机械杂质含量相关要求，与燃油取样分析结果基本一致。