核電廠RRI泵葉輪葉片開裂原因分析及修復(fù)

周建平，鄧江勇，王琪

廣西防城港核電有限公司 廣西防城港 538000

1 序言

RRI系統(tǒng)（冷卻水系統(tǒng)）布置于核電廠核島廠房中，分A、B兩列，每列配置2臺單級離心泵，核安全3級。該系統(tǒng)主要為核島內(nèi)各種熱交換器提供冷卻水，并將其熱負(fù)荷通過重要廠用水系統(tǒng)（SEC）傳遞到海水；同時，作為核島設(shè)備和海水之間的屏障，避免放射性流體不可控地釋放到海水中，對環(huán)境造成污染，并防止海水腐蝕核島設(shè)備。

其中，4臺離心泵對于保證RRI系統(tǒng)的正常工作起著決定性作用，對整個核電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有著舉足輕重的作用，因此，需要對RRI離心泵進(jìn)行定期檢查和非例行檢查。在對某核電廠1號機(jī)組進(jìn)行非例行檢查時，發(fā)現(xiàn)RRI離心泵入口處葉輪葉片根部有長達(dá)5～35mm的裂紋，其位置和形貌如圖1所示。本文針對1#機(jī)組RRI離心泵裂紋原因進(jìn)行了深入分析和調(diào)查，并進(jìn)行了修復(fù)，解決了離心泵裂紋的問題，為同類型機(jī)組的離心泵裂紋檢修提供了經(jīng)驗(yàn)。

圖1 RRI003PO葉輪葉片根部裂紋

2 RRI離心泵簡介

核電廠RRI泵為臥式單級懸臂離心泵，其主要性能參數(shù)見表1。離心泵葉輪按照法國RCCM M3208制造，材質(zhì)牌號Z6CNU17-04，屬馬氏體不銹鋼鑄件，鑄造工藝由鑄造廠選定，并在制造大綱中加以明確。

表1 RRI離心泵主要性能參數(shù)

馬氏體不銹鋼葉輪作為離心泵的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚薄不均勻；不同鑄造工藝直接關(guān)系到葉輪的成形質(zhì)量和制造成本[1]，有砂鑄和精鑄工藝兩個方向，本RRI離心泵采用傳統(tǒng)砂鑄工藝。

3 原因分析

（1）運(yùn)行工況分析 RRI離心泵運(yùn)行環(huán)境的振動值最大為1mm/s，氣蝕余量16.4m，滿足設(shè)計(jì)要求。為了評估葉輪旋轉(zhuǎn)離心力和流體壓力的共同作用，采用流-固耦合分析方法，計(jì)算得出各工況下葉輪的受力情況，見表2。

圖2是通過數(shù)值計(jì)算得出的葉輪出口和入口主應(yīng)力分布狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)最大主應(yīng)力發(fā)生在出口葉片邊緣處，應(yīng)力為79.80MPa，最小主應(yīng)力發(fā)生在入口葉片邊緣處，應(yīng)力為32.08MPa，均遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)行工況要求。

表2 各類工況下葉輪受力情況

圖2 葉片出口和人口主應(yīng)力分布

關(guān)醒凡等[2]學(xué)者研究認(rèn)為，葉輪葉片壁厚設(shè)計(jì)成漸變式是改善葉輪氣蝕性能的手段之一，但壁厚漸變?nèi)~片相對均勻葉片鑄造難度會有所增加?！峨x心泵鑄件過流部位尺寸公差》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鑄鋼件葉輪葉片厚度不應(yīng)＜4mm，RRI離心泵入口邊緣厚度設(shè)計(jì)值為5mm，實(shí)測值約5mm，滿足要求。

運(yùn)行期間最大主應(yīng)力發(fā)生在出口葉片邊緣處，未產(chǎn)生裂紋；最小主應(yīng)力發(fā)生在入口葉片邊緣處，有裂紋。綜合以上分析，裂紋的產(chǎn)生與葉輪工況受力、結(jié)構(gòu)無直接關(guān)系。

（2）化學(xué)成分分析 表3為現(xiàn)場光譜測試葉輪葉片內(nèi)外表面合金成分，發(fā)現(xiàn)葉片內(nèi)外表面存在比較嚴(yán)重的成分偏析，且葉輪內(nèi)表面Cr、Mn含量超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。

表3 Z6CNU17-04葉片合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

圖3 原始鑄造氣孔、裂紋宏觀金相

（3）金相分析 圖3為葉片開裂部位宏觀金相組織，發(fā)現(xiàn)存在氣孔、裂紋，且裂紋數(shù)量多、長短不一、走向扭曲、互不連續(xù)，與鑄造熱裂紋特征相符；圖4為葉片根部補(bǔ)焊微觀金相組織，發(fā)現(xiàn)葉片邊緣及根部進(jìn)行過補(bǔ)焊，裂紋止于補(bǔ)焊熔合線，補(bǔ)焊未能完全消除裂紋是裂紋存在的重要原因。圖5為裂紋附近微觀金相組織，葉片基體組織接近針狀馬氏體，而非板條馬氏體，且存在大量夾雜、疏松缺陷，針狀馬氏體導(dǎo)致基體硬度高、韌性降低，疏松缺陷導(dǎo)致葉輪硬度不均。

綜上分析，葉輪在砂鑄過程中，發(fā)生過化學(xué)成分偏析、硬度不均、組織異常、夾雜物和疏松等問題，造成了葉輪出現(xiàn)原始鑄造裂紋。在制造階段實(shí)施補(bǔ)焊過程中，由于補(bǔ)焊技術(shù)經(jīng)驗(yàn)欠缺，缺陷未全部消除；雖然存在原始鑄造裂紋，但是葉片表面為壓應(yīng)力狀態(tài)，并且運(yùn)行工況不惡劣，故運(yùn)行多年，裂紋并未發(fā)生明顯擴(kuò)展。

（4）鑄造工藝分析 RRI離心泵采用砂鑄成形，該鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一方面壁厚不均勻且厚壁與薄壁之間尺寸相差較大，工藝設(shè)計(jì)時需特別關(guān)注補(bǔ)縮、收縮應(yīng)力；另一方面存在各種曲面，工藝設(shè)計(jì)時需充分考慮充型的完整性。

通過對廠家砂鑄工藝調(diào)查，發(fā)現(xiàn)存在以下不足：①模樣制造：模樣材質(zhì)為鋁合金，這種合金熔點(diǎn)高，后續(xù)需增加抽葉片工序，容易落砂。②造型：冷鐵設(shè)計(jì)不合理，不利于T形區(qū)域的提前凝固，造成后期補(bǔ)縮不足。③合箱：砂型、砂芯烘干過程去除水汽不足，易產(chǎn)生氣孔缺陷。④落砂：鑄件保溫時間不足，增加了殘余應(yīng)力并導(dǎo)致組織不均勻。

通過以上調(diào)查分析，本文認(rèn)為葉輪鑄造工藝的模樣選材、造型冷鐵設(shè)計(jì)、合箱除水汽、落砂保溫等鑄造工序均存在不足是葉輪產(chǎn)生裂紋的根本原因。

（5）熱處理工藝分析 由表4可見，設(shè)計(jì)要求離心泵鑄件的熱處理工藝應(yīng)包括固溶處理和2次回火處理。姜越等人[3]研究認(rèn)為，Z6CNU17-04屬沉淀硬化馬氏體不銹鋼鑄件，進(jìn)行1020～1060℃固溶處理可保證合金強(qiáng)化元素充分而均勻地固溶到奧氏體中。隨著固溶溫度升高，會導(dǎo)致奧氏體晶粒長大，也會導(dǎo)致淬火組織中出現(xiàn)孿晶馬氏體，損害鋼的強(qiáng)韌性。進(jìn)行580℃或稍高溫度的時效處理可獲得最佳的強(qiáng)度和韌度的組合。本文分析認(rèn)為此葉輪的熱處理固溶溫度和時效溫度明顯比設(shè)計(jì)要求偏高，且缺少1次回火，導(dǎo)致了葉片組織晶粒粗大、組織異常和析出相的界面偏聚。

圖4 葉片根部補(bǔ)焊微觀金相（200×）

圖5 葉片基體金相顯微組織（200×）

表4 RRI離心泵鑄件熱處理工藝

4 缺陷處理

為了驗(yàn)證不同裂紋長度的葉片強(qiáng)度是否滿足要求，本文建立了葉輪無裂紋以及裂紋長度分別為30mm、50mm和100mm四個模型；采用線彈性模型和考慮葉輪旋轉(zhuǎn)離心力和流體壓力的共同作用，分別計(jì)算了四種模型；圖6為葉片根部不同長度裂紋模型、不同工況下的最大主應(yīng)力分布。

由表5可見，葉片根部裂紋長度修復(fù)至＜100mm時，葉輪的承受應(yīng)力為158.93MPa，仍然小于材料的基本許用應(yīng)力。

根據(jù)以上應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，參考相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)[4]，制定缺陷處理臨時方案和長期方案如下：

臨時方案：如果葉輪葉片裂紋長度≥100mm，直接報(bào)廢，更換新葉輪；如果葉輪葉片裂紋長度≤100mm，則先鉆止裂孔再挖磨補(bǔ)焊。補(bǔ)焊工藝：焊材牌號AWS 5.4E630-15低氫焊條，規(guī)格為φ3.2mm，焊接電流90～120A，焊前預(yù)熱250～300℃，焊后熱處理溫度（600±10）℃；焊后進(jìn)行VT、PT和RT檢測。

長期方案：待原鑄造廠家葉輪砂鑄工藝確認(rèn)得到優(yōu)化，或選葉輪精鑄工藝成熟新廠家，重新采購葉輪備件，定期更換存在質(zhì)量隱患的舊葉輪。

圖6 不同工況下葉輪最大主應(yīng)力分布

表5 四種模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)束語

1）葉輪葉片內(nèi)外表面合金存在比較嚴(yán)重的成分偏析；同時，葉片邊緣及根部進(jìn)行過補(bǔ)焊，裂紋止于補(bǔ)焊熔合線，補(bǔ)焊未能完全消除裂紋；另外，葉輪的固溶處理溫度和時效處理明顯比設(shè)計(jì)要求偏高，且缺少1次回火，導(dǎo)致了葉片組織晶粒粗大、組織異常和析出相的界面偏聚。以上因素是裂紋產(chǎn)生的重要原因。

2）綜合分析，RRI離心泵葉輪葉片根部開裂的主要原因?yàn)槿~輪砂鑄工藝和熱處理工藝存在不足。

3）通過建模和仿真計(jì)算，驗(yàn)證了盡管存在缺陷，但通過采取臨時處理措施，可以確保葉輪在中短期內(nèi)安全運(yùn)行。