某核電廠設(shè)備冷卻水泵葉輪裂紋原因分析

王 巖，馬 寧

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116001)

1 問題描述

設(shè)備冷卻水泵(RRI00*PO)為國內(nèi)某泵廠A生產(chǎn)的HB-400-560型懸臂式臥式單級(jí)離心泵，其主要功能是為核島內(nèi)各用戶提供冷卻水[1]。國內(nèi)多家核電廠相繼發(fā)現(xiàn)泵廠A產(chǎn)RRI設(shè)備冷卻水泵葉輪存在裂紋缺陷，最長(zhǎng)裂紋達(dá)30 mm，同時(shí)對(duì)泵廠產(chǎn)未使用的葉輪備件進(jìn)行PT檢查，同樣存在裂紋缺陷，對(duì)同型號(hào)的B泵廠產(chǎn)葉輪備件進(jìn)行PT檢查，無異常。

圖1 葉輪裂紋PT線性顯示

2 原因分析

針對(duì)A泵廠產(chǎn)RRI設(shè)備冷卻水泵葉輪裂紋問題，制定了根本原因分析方案，首先選取開裂葉輪進(jìn)行金屬學(xué)鑒定分析，確認(rèn)裂紋及其他缺陷性質(zhì)，其次調(diào)查葉輪的選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合規(guī)范要求，最后對(duì)葉輪的制造過程，包括鑄造、加工、熱處理、檢查檢驗(yàn)等進(jìn)行調(diào)查分析，同時(shí)結(jié)合泵歷史運(yùn)行參數(shù)，多維度全方位進(jìn)行了根本原因分析。

2.1 金屬學(xué)分析

金屬學(xué)分析包括：樣品外觀檢查、斷口形貌分析、金相組織分析、化學(xué)成分分析、殘余應(yīng)力測(cè)試、氫含量測(cè)試、硬度試驗(yàn)、力學(xué)性能分析及綜合分析等。

2.1.1 形貌分析

對(duì)Y4RRI003PO葉輪進(jìn)行宏觀和微觀分析，如圖2所示，其中1、2、3、4位置為葉片根部與蓋板“T型”交角處裂紋，5位置為穿孔，6位置為葉片背部發(fā)現(xiàn)的未融合缺陷，7位置是葉片根部與蓋板交角裂紋。

圖2 裂紋宏觀顯示

將裂紋打開后利用體式鏡進(jìn)行觀察，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)裂紋端面表面均為灰黑色，夾雜部分黃色區(qū)域，呈現(xiàn)明顯的氧化特征，無斷裂特征，符合鑄造熱裂紋特點(diǎn)，初步認(rèn)為裂紋在鑄造階段產(chǎn)生[2]。

圖3 裂紋微觀顯示

利用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察，二次電子圖像如圖4所示。幾個(gè)裂紋斷面均無明顯斷裂特征。可以看到較厚的氧化層，且呈現(xiàn)“多層”特征，根據(jù)葉輪制造工藝，該特征可能是鑄造熱裂紋產(chǎn)生后，再經(jīng)過多次熱處理所致。

圖4 掃描電鏡(SEM)顯示

觀察1、2、6號(hào)裂紋斷面區(qū)和打斷區(qū)交界，未發(fā)現(xiàn)疲勞拓展特征。

觀察各裂紋打斷區(qū)，1號(hào)裂紋打斷區(qū)域可見明顯的沿晶斷裂特征，證明材料晶界結(jié)合力較弱。2號(hào)裂紋打斷區(qū)發(fā)現(xiàn)明顯的“苞米?！笔杷商卣?。6號(hào)裂紋打斷區(qū)沿晶表面發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的針狀紋絡(luò)[2]。綜合分析各裂紋打斷區(qū)域特征，推斷材料鑄造與熱處理過程存在問題。

2.1.2 金相分析

通過金相分析，如圖5，材料的金相組織為板條狀馬氏體，發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部有許多冶金缺陷，這些缺陷比普通的夾雜物大，其中有夾渣或小氣孔，也有第二相。

圖5 金相顯示

2.1.3 晶界敏化分析

通過敏化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)晶界都有明顯敏化，證明晶界薄弱，如圖6，材料熱處理過程可能存在問題。

圖6 敏化試驗(yàn)

2.1.4 化學(xué)成分分析

對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，如表1所示，結(jié)果表明，除Cu元素略低于標(biāo)準(zhǔn)要求外，其他元素均在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。

表1 化學(xué)成分

2.1.5 材料的力學(xué)性能檢驗(yàn)

材料的拉伸、沖擊、硬度是按照GB/T 228，GB/T 229，以及GB/T 230.1規(guī)定的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)取樣和試驗(yàn)。

2.1.5.1 抗拉強(qiáng)度及沖擊性能

利用德國Zwick Z150電子拉伸試驗(yàn)機(jī)和德國ZwickRKP 450示波沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試葉輪材料的室溫拉伸和沖擊性能，結(jié)果見表2所示。

表2 拉伸強(qiáng)度及沖擊性能

各個(gè)試樣的斷后延伸率和沖擊吸收功均不達(dá)標(biāo)。依照 RCC-MM3208標(biāo)準(zhǔn)中“每組3個(gè)樣品中只允許1個(gè)低于規(guī)定的最小值”的要求，兩個(gè)屈服強(qiáng)度值低于要求的720 MPa，故屈服強(qiáng)度也不達(dá)標(biāo)。

2.1.5.2 硬度測(cè)量

選取5個(gè)位置進(jìn)行硬度測(cè)量，結(jié)果見表3，測(cè)量結(jié)果在36～39 HRC之間，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 硬度測(cè)量表

2.1.6 殘余應(yīng)力測(cè)試

對(duì)葉輪未開裂葉片進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果如表4所示，葉片根部垂直與“開裂”方向均為殘余壓應(yīng)力，可以減弱裂紋拓展。結(jié)合葉片制造工藝分析，殘余壓應(yīng)力可能是在噴砂去熱處理氧化皮過程中產(chǎn)生。

表4 殘余應(yīng)力表

通過以上金屬學(xué)分析，宏觀觀察到的試驗(yàn)葉輪裂紋，均為鑄造缺陷，裂紋未發(fā)現(xiàn)疲勞拓展，葉輪裂紋等缺陷與殘余應(yīng)力無關(guān)， 葉輪存在較多鑄造缺陷，證明鑄造過程存在問題，葉輪力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)，鑄件熱處理工藝可能存在問題。

2.2 設(shè)計(jì)校核分析

2.2.1 材料選型分析

A泵廠產(chǎn)RRI泵葉輪選用法國牌號(hào)Z6CNU17-04馬氏體不銹鋼，遵循RCC-M M3208“承壓部件”標(biāo)準(zhǔn)。但葉輪為非承壓部件，RCC-M中推薦的用作葉輪材料的馬氏體不銹鋼為Z5CND13-04和Z5CN12-01兩個(gè)牌號(hào)。Z6CNU17-04屬于高合金鋼，相比Z5CND13-04和Z5CN12-01各元素含量均有較大差異，Cr元素提高，改善了材料的耐蝕性，并且增加了Cu、Ta+Nb、N等強(qiáng)化元素。Z6CNU17-04牌號(hào)合金抗拉強(qiáng)度、硬度較高，但耐沖擊性能和塑性低于另外兩個(gè)合金。

分析A泵廠RRI泵選擇Z6CNU17-04的影響，這種材料硬度高、韌性相比RCC-M推薦葉輪材料低，可能易受殘余應(yīng)力影響，但金屬學(xué)分析已證明本次葉輪開裂問題主要是鑄造缺陷，與材質(zhì)本身力學(xué)特性無關(guān)。對(duì)比調(diào)查B泵廠RRI泵葉輪，該泵廠同樣采用Z6CNU17-04馬氏體不銹鋼，多次拆卸檢查葉輪并未有葉輪開裂現(xiàn)象反饋。綜上所述，本次A泵廠RRI泵開裂問題，并非因選材問題引起。

2.2.2 葉輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析

利用有限元分析技術(shù)對(duì)葉輪原始設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮離心力與流體壓力，計(jì)算結(jié)果見表5。Z6CNU17-04材料許用應(yīng)力為225 MPa，各種工況下葉輪最大應(yīng)力、葉輪葉片與前蓋板“T”型角處應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力。所以，葉輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求。

表5 強(qiáng)度計(jì)算表

2.2.3 葉輪尺寸設(shè)計(jì)分析

葉輪現(xiàn)有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求，但葉輪結(jié)構(gòu)不僅影響葉輪強(qiáng)度，還影響葉輪鑄造過程。最重要的兩個(gè)因素為葉片厚度和葉片與蓋板間夾角設(shè)計(jì)。

RRI泵葉輪葉片厚度設(shè)計(jì)主要考慮泵的汽蝕特性，減薄葉片的進(jìn)口邊是改善葉輪汽蝕性能的手段之一，葉片厚度按流線長(zhǎng)度給定，最大厚度在離進(jìn)口為葉片全長(zhǎng)的1/3～1/2處，進(jìn)、出口部分應(yīng)盡量減薄。但葉片減薄其鑄造難度就會(huì)增加。

根據(jù)JB/T6879—2008《離心泵鑄件過流部位尺寸公差》3.5節(jié)中要求，葉輪的葉片厚度鑄鋼件不應(yīng)小于4 mm。目前A泵廠RRI泵進(jìn)口邊緣厚度設(shè)計(jì)值為5 mm，實(shí)測(cè)值為4.2 mm左右(鑄造后去氧化皮)，接近標(biāo)準(zhǔn)要求限值。但對(duì)比B泵廠RRI泵葉輪葉片，其邊緣厚度設(shè)計(jì)值也為5 mm。所以，可認(rèn)為此次葉輪鑄造缺陷與葉片厚度設(shè)計(jì)無關(guān)。

葉片與蓋板間倒角情況，實(shí)際測(cè)量值R約為3.5 mm。RRI泵葉輪技術(shù)要求中“未注鑄造圓角 R4～R6”。倒角小，泵體水力性能好，但會(huì)增加鑄造難度。實(shí)際鑄造倒角小于設(shè)計(jì)值，證明鑄造過程控制需要優(yōu)化。

通過對(duì)葉輪選材設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析可知，HB-400-560型RRI泵葉輪強(qiáng)度裕度較大，設(shè)計(jì)時(shí)特別考慮了抗汽蝕性能，設(shè)計(jì)因素并非是產(chǎn)生葉輪裂紋問題的原因。但葉輪設(shè)計(jì)會(huì)影響材料鑄造性能，所以后續(xù)改進(jìn)時(shí)也可以考慮從設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 制造工藝及過程分析

2.3.1 鑄造工藝及過程調(diào)查分析

金屬學(xué)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)RRI泵葉輪葉片上的裂紋大部分為鑄造缺陷，此外葉輪內(nèi)部也存在大量的夾渣、縮松等缺陷。表明鑄造工藝及鑄造過程存在問題。

1)鑄造工藝分析

A泵廠RRI泵采用砂鑄工藝，傳統(tǒng)的砂鑄工藝生產(chǎn)的葉輪表面質(zhì)量不高，工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)更易產(chǎn)生較多的鑄造缺陷。對(duì)比B泵廠RRI泵葉輪，其采用精鑄工藝，過程復(fù)雜，但葉輪表面質(zhì)量高，鑄造缺陷少。

A泵廠反饋，2014年以前葉輪各工序采用舊鑄造工藝生產(chǎn)，2014年后，各工序鑄造工藝已優(yōu)化。而13個(gè)爐批次材料均為2014年以前生產(chǎn)。

2)鑄造過程控制分析

根據(jù)新工藝要求，熔煉過程禁止采用廢鋼及回用澆冒口進(jìn)行熔煉。據(jù)反饋，A泵廠已加強(qiáng)控制，現(xiàn)場(chǎng)不再使用臟料、廢料等，保證原材料清潔度。

對(duì)比分析可知，以往現(xiàn)場(chǎng)存在原料管控不嚴(yán)的可能，影響鋼水純凈度。

2.3.2 熱處理工藝及過程分析

金屬學(xué)分析發(fā)現(xiàn)葉輪力學(xué)性能不足，缺陷附近存在沿晶斷裂特征，金相組織不均勻，證明葉輪熱處理存在問題。

1)熱處理工藝分析

調(diào)取A泵廠產(chǎn)葉輪制造完工報(bào)告[3]。葉輪經(jīng)過淬火+回火過程。從室溫升溫，奧氏體化溫度在1120 ℃左右，保溫時(shí)間2.25 h，空冷，回火溫度700 ℃，保溫時(shí)間2 h5 min。葉輪經(jīng)過補(bǔ)焊后會(huì)再次重復(fù)相同熱處理過程。

調(diào)取B泵廠產(chǎn)葉輪制造完工報(bào)告[4]。葉輪同樣使用淬火+回火工藝。但熱處理工藝更加復(fù)雜，葉輪裝爐溫度為300 ℃，升溫至1050 ℃進(jìn)行奧氏體化，水冷。一次硬化過程葉輪裝爐溫度為200 ℃，升溫至620 ℃，保溫4 h。二次硬化裝爐溫度250 ℃，升溫至620 ℃，保溫4 h。葉輪經(jīng)過補(bǔ)焊后會(huì)再次重復(fù)相同熱處理過程。

根據(jù)制造完工報(bào)告，B泵廠RRI泵葉輪延伸率與沖擊功明顯好于A泵廠RRI泵。根據(jù)RCC-M 2000版+2002補(bǔ)遺，Z6CNU17-04需回火1-2次。綜合對(duì)比可知，B泵廠葉輪熱處理時(shí)間更長(zhǎng)，過程更加充分，材料組織更加均勻，所以力學(xué)性能更好。

通過對(duì)比分析，A泵廠目前熱處理工藝需要重新評(píng)定。

2)熱處理過程分析

目前力學(xué)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)，與制造完工報(bào)告中試棒力學(xué)性能不一致。

RCC-M 2000版+2002 M3208要求，試樣可取自相連或是同爐鋼水單澆試件，但需要一起熱處理。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，試棒同葉輪共同熱處理后，對(duì)試棒再次單獨(dú)進(jìn)行模擬去應(yīng)力退火，加熱至610 ℃，保溫4.2 h，從加熱溫度和保溫時(shí)間推測(cè)，這可能是導(dǎo)致試棒與葉輪力學(xué)性能存在偏差的原因之一。另外，力學(xué)試驗(yàn)試樣取自輪轂，而試棒為單獨(dú)澆注，二者之間本身會(huì)存在一定差異。

結(jié)合葉輪鑄造分析，葉輪力學(xué)性能差可能是內(nèi)部缺陷較多，疊加熱處理不夠充分導(dǎo)致。本次A泵廠RRI泵開裂事件，主要由鑄造缺陷造成，熱處理不足導(dǎo)致的葉輪力學(xué)性能差，屬于分析過程中發(fā)現(xiàn)的其他問題，不是本次事件原因，但需要同步關(guān)注改進(jìn)。

通過對(duì)葉輪鑄造工藝、熱處理工藝及其過程分析可知，葉輪的整個(gè)制造過程，包括工藝設(shè)計(jì)及實(shí)際控制均存在不同程度的不足。

3 處理措施

針對(duì)RRI泵葉輪裂紋缺陷金屬學(xué)、設(shè)計(jì)校核、制造工藝及過程等三方面原因分析，可以確定導(dǎo)致葉輪裂紋的根本原因在于鑄造工藝及鑄造的過程控制存在不足，對(duì)此，A泵廠對(duì)原有的鑄造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)加強(qiáng)了鑄造過程中的質(zhì)量控制。首先，將原砂鑄工藝改進(jìn)為精鑄工藝，避免了砂鑄工藝帶來的葉輪表面質(zhì)量不高，工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)產(chǎn)生的較多鑄造缺陷，相比而言，采用精鑄工藝，雖過程復(fù)雜，但葉輪表面質(zhì)量高，鑄造缺陷少。具體工藝對(duì)比見表6。

表6 葉輪制造新舊工藝對(duì)照表

續(xù)表6

其次，對(duì)鑄造的過程控制及質(zhì)量控制進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)新工藝要求，熔煉過程禁止采用廢鋼及回用澆冒口進(jìn)行熔煉，不再使用臟料、廢料等，保證原材料的清潔度。同時(shí)在葉輪出廠前，嚴(yán)格按照PT檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)探傷檢測(cè)，提高了葉輪的驗(yàn)收質(zhì)量。

通過以上兩方面的改進(jìn)與優(yōu)化，目前，A泵廠產(chǎn)葉輪解決了裂紋問題，核電現(xiàn)場(chǎng)用RRI泵運(yùn)行正常，大修解體進(jìn)行葉輪PT探傷檢測(cè)，未出現(xiàn)葉輪裂紋問題。

4 結(jié)束語

通過對(duì)RRI泵葉輪裂紋的原因分析，得出了葉輪裂紋的根本原因?yàn)槿~輪鑄造工藝設(shè)計(jì)及過程控制存在不足，直接原因?yàn)槿~輪制造缺陷，促成因素為葉輪檢查檢驗(yàn)存在不足，此工作不僅解決了RRI泵葉輪裂紋問題，同時(shí)對(duì)其他泵葉輪的排查工作有著極好的借鑒意義，保障了設(shè)備安全可靠運(yùn)行，同時(shí)為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。