CPR1000機(jī)組汽動(dòng)輔助給水泵二級(jí)葉輪開(kāi)裂問(wèn)題分析

祖 帥，郭新剛，張全福，朱 贏，王 濤，李連海

(1.蘇州熱工研究院有限公司設(shè)備管理部，廣東 深圳 518026；2.遼寧紅沿河核電有限公司系統(tǒng)設(shè)備處，遼寧 大連 116000)

輔助給水系統(tǒng)(ASG)為核電機(jī)組專設(shè)安全系統(tǒng)。當(dāng)正常給水系統(tǒng)失效時(shí)，ASG系統(tǒng)向蒸發(fā)器二次側(cè)給水，以排出堆芯余熱，直至達(dá)到余熱排出系統(tǒng)(RRA)投入運(yùn)行的條件為止，余熱通過(guò)GCT系統(tǒng)排向冷凝器或大氣[1]。在熱停堆時(shí)和向冷停堆過(guò)渡期間，RRA投入運(yùn)行前，代替給水系統(tǒng)，向蒸發(fā)器二次側(cè)給水。ASG系統(tǒng)設(shè)有四臺(tái)給水泵：兩臺(tái)電動(dòng)給水泵(ASG001/002PO)和兩臺(tái)汽動(dòng)給水泵(ASG003/004PO)，每臺(tái)泵可提供所需50%的流量。

汽動(dòng)輔助給水泵為兩級(jí)臥式離心泵，由單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。汽輪機(jī)與泵同軸，由兩個(gè)水潤(rùn)滑徑向軸承支撐，由壓力調(diào)節(jié)裝置來(lái)控制泵轉(zhuǎn)速，并且設(shè)置有電子超速保護(hù)裝置與機(jī)械超速保護(hù)裝置。

在某核電機(jī)組大修期間，解體檢查發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)汽動(dòng)泵的第二級(jí)葉輪均存在裂紋。裂紋均處于葉片與葉輪前蓋板的連接處(裂紋形貌見(jiàn)圖1)。根據(jù)本次事件反饋，各核電廠后續(xù)通過(guò)PT檢查均發(fā)現(xiàn)二級(jí)葉輪存在不同程度的開(kāi)裂問(wèn)題，嚴(yán)重影響機(jī)組安全可靠運(yùn)行，需要盡快明確事件原因并采取改進(jìn)措施。

圖1 葉輪開(kāi)裂形貌Fig.1 Crack image of impeller

本文通過(guò)對(duì)開(kāi)裂葉輪進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試、殘余應(yīng)力測(cè)試、斷口觀察，并結(jié)合汽動(dòng)輔助給水泵的三種現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況(全流量、小流量和超速試驗(yàn))對(duì)二級(jí)葉輪開(kāi)展了流-固耦合有限元力學(xué)分析，以找出根本原因，提出相應(yīng)改進(jìn)措施，徹底防止類似事件的重發(fā)。

1 原因分析

1.1 可能的故障模式分析

針對(duì)本次汽動(dòng)泵第二級(jí)葉輪開(kāi)裂問(wèn)題，經(jīng)與電廠維修、運(yùn)行專家討論，從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等方面全面提出了葉輪開(kāi)裂可能的故障模式，并針對(duì)可能故障模式開(kāi)展了相應(yīng)的分析工作?？赡艿墓收夏Ｊ搅信e如表1所示，具體分析工作如下。

表1 葉輪開(kāi)裂可能的故障模式及對(duì)應(yīng)分析工作Table 1 Potential failure Mode and analysis work

1.2 金屬學(xué)分析

該泵的制造完工報(bào)告(EOMR)中，該葉輪材質(zhì)為鑄造馬氏體不銹鋼，對(duì)應(yīng)牌號(hào)為ASTM A487 CA6NM(A)。報(bào)告顯示，葉輪在制造過(guò)程中的力學(xué)強(qiáng)度、化學(xué)成分、沖擊功測(cè)試均滿足ASTM A487標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了研究葉輪的材質(zhì)和斷口微觀形貌，對(duì)開(kāi)裂的第二級(jí)葉輪獨(dú)立開(kāi)展了金屬學(xué)分析，包括：化學(xué)成分分析、殘余應(yīng)力測(cè)試、力學(xué)性能測(cè)試以及斷口分析。

1.2.1 化學(xué)成分分析

對(duì)葉輪不同位置取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，取樣位置分別為葉片裂紋附近和輪轂處?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果如表2所示，不同位置處取樣的各元素含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)ASTM A487/A487 M-2014對(duì)CA6NM(A)鋼種成分的要求。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果Table 2 Chemical composition analysis

1.2.2 殘余應(yīng)力測(cè)試

為了研究是否因熱處理工藝不當(dāng)引入殘余應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題，對(duì)裂紋附近位置和未開(kāi)裂葉片的相同位置處進(jìn)行殘余應(yīng)力對(duì)比測(cè)試。每個(gè)位置處共選擇兩個(gè)方向進(jìn)行測(cè)試，分別為沿著葉片頂部棱線方向和葉片厚度方向。

殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果如表3所示。根據(jù)殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，在葉片棱線方向殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，而葉片厚度方向的殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力。并且開(kāi)裂葉片(1號(hào))與未開(kāi)裂葉片(2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào))的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果差別不大。經(jīng)查詢制造完工報(bào)告，該葉輪的實(shí)際熱處理工藝曲線滿足葉輪的技術(shù)規(guī)范要求。因此，可以認(rèn)為殘余應(yīng)力導(dǎo)致起裂的可能性低。

表3 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果Table 3 Residual stress test result

1.2.3 力學(xué)性能測(cè)試

將葉輪輪轂鍵槽處標(biāo)記為0°位置，從入水側(cè)按順時(shí)針依次間隔90°，在90°、180°和270°輪轂位置處截取試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和0 ℃沖擊試驗(yàn)。室溫拉伸試樣采用Ф4 mm比例拉伸試棒，沖擊采用V型缺口試樣。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分別為GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》。

室溫拉伸和0 ℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表4與表5所示。送檢葉輪輪轂處取樣樣品的室溫拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)ASTM A487要求，0 ℃沖擊性能滿足標(biāo)準(zhǔn)ASME SA370標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，葉輪材料的力學(xué)性能及沖擊功未見(jiàn)異常。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Tensile strength test result

表5 沖擊功測(cè)試結(jié)果Table 5 Impact test result

1.2.4 斷口分析

為判斷裂紋源位置以及裂紋擴(kuò)展特性，對(duì)打開(kāi)后的裂紋斷口進(jìn)行宏觀、微觀分析。經(jīng)體式顯微鏡觀察，裂紋斷口相對(duì)平齊，斷口附近未見(jiàn)明顯的宏觀塑性變形特征(見(jiàn)圖2)。斷口上可見(jiàn)放射狀紋理和疲勞弧線，疲勞弧線圓心指向裂紋起裂區(qū)，位于葉片近前緣迎水面?zhèn)?，區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3依次遠(yuǎn)離裂紋源區(qū)。

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic image of the fracture

對(duì)葉片斷口進(jìn)行SEM微觀觀察和能譜分析，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為JY/T 010—1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。裂紋起源于葉片迎水面(葉片與前蓋板的連接處，區(qū)域1處)，裂紋源區(qū)附近微觀形貌如圖3所示，斷口未見(jiàn)過(guò)大應(yīng)力致裂特征，斷口整體區(qū)域均可觀察到明顯的疲勞條帶特征，條帶間距在1.06～1.51 um，呈高周疲勞特征。

1.3 有限元力學(xué)分析

汽動(dòng)泵在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，共有三種常見(jiàn)運(yùn)行工況，分別是小流量工況、全流量工況以及超速試驗(yàn)工況。本文采用Ansys有限元分析軟件對(duì)葉輪在三種運(yùn)行工況下的應(yīng)力進(jìn)行流-固耦合計(jì)算，用以研究葉輪的受力狀態(tài)。葉輪三維模型通過(guò)3D掃描建立，有限元分析首先采用線彈性模型研究不同工況下的應(yīng)力大小和分布，然后選取小流量工況采取彈塑性模型進(jìn)行計(jì)算。

采取三種工況下的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)作為計(jì)算邊界條件，其中小流量工況下的最大主應(yīng)力分布和最大主應(yīng)力方向分別見(jiàn)圖3所示。

圖3 最大主應(yīng)力位置及方向Fig.3 The distribution of the maximum principal stress

根據(jù)線彈性有限元模型的計(jì)算結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

(1)葉輪在三種運(yùn)行工況下產(chǎn)生的最大應(yīng)力值接近；

(2)應(yīng)力集中位置位于葉片與前蓋板的連接處，與實(shí)驗(yàn)室觀察到的裂紋源位置一致；

(3)最大主應(yīng)力方向與裂紋斷面接近垂直，裂紋產(chǎn)生與受力相關(guān)。

由于線彈性模型下的應(yīng)力值已經(jīng)大于材料的屈服強(qiáng)度，因此需要考慮材料塑性對(duì)結(jié)果的影響。本文采用雙線性彈塑性模型來(lái)近似代替材料的非線性，用于近似計(jì)算葉輪在小流量工況下的受力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，葉輪在小流量工況下產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力約815 MPa，已接近材料實(shí)測(cè)的抗拉強(qiáng)度。由于材料的真實(shí)抗拉強(qiáng)度要大于測(cè)量的抗拉強(qiáng)度，所以材料并不會(huì)產(chǎn)生過(guò)載開(kāi)裂，但安全裕度很低。

1.4 綜合分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室分析，葉輪材質(zhì)未見(jiàn)異常，裂紋呈疲勞特征。有限元計(jì)算表明，葉輪在正常運(yùn)行工況下的受力已經(jīng)接近材料的抗拉強(qiáng)度，應(yīng)力集中位置與裂紋源位置吻合，且最大主應(yīng)力方向與裂紋斷面垂直。文獻(xiàn)研究表明[2,3]，離心泵葉輪在正常運(yùn)行時(shí)，除離心力、流體壓力等載荷外，還會(huì)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)、水力波動(dòng)等動(dòng)載荷。當(dāng)葉片設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，葉片受力較大時(shí)，在動(dòng)態(tài)載荷的作用下會(huì)使應(yīng)力集中位置產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。

2 結(jié)論

綜合金屬學(xué)分析和有限元分析可知，二級(jí)葉輪開(kāi)裂的原因?yàn)槿~片設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，葉片承受應(yīng)力過(guò)大，在運(yùn)行過(guò)程中難以承受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行載荷，最終導(dǎo)致疲勞開(kāi)裂。

本次CPR1000機(jī)組汽動(dòng)輔助給水泵二級(jí)葉輪開(kāi)裂的根本原因?yàn)槿~片設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，直接原因?yàn)槠陂_(kāi)裂。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)葉輪的設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，局部應(yīng)力較大的問(wèn)題提出以下改進(jìn)建議：增大葉片與前蓋板連接處圓角的曲率半徑；增加后蓋板的剛度，降低軸向不平衡力對(duì)應(yīng)力集中的影響。

汽動(dòng)給水泵供應(yīng)商針對(duì)二級(jí)葉輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度偏低的問(wèn)題，對(duì)二級(jí)葉輪進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，改進(jìn)了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，改進(jìn)后的葉輪在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況良好，從根本上提升了二級(jí)葉輪的運(yùn)行可靠性。