核電廠主泵泵殼鑄造及質(zhì)量控制研究

張璐 劉樹(shù)奇

摘要：主泵又稱核反應(yīng)堆冷卻劑主泵，是為核電站運(yùn)行期間長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行而規(guī)定的，主泵就像核電站核反應(yīng)堆的心血管，根據(jù)一回路冷卻劑通過(guò)主管和傳熱管將核反應(yīng)堆堆芯裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的熱量傳遞到第二控制回路，使二次側(cè)給排水氣化成為常規(guī)推廣，島上汽輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的干燥飽和水蒸氣是壓水堆核電站最重要的關(guān)鍵設(shè)備之一?；诖?，本文將主要針對(duì)核電廠主泵泵殼鑄造以及其質(zhì)量控制展開(kāi)分析。

關(guān)鍵詞：核電廠;主泵泵殼;質(zhì)量控制

引言：

核電站主泵鑄造泵殼是核電站武器裝備中重要的限壓部件。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量規(guī)定十分嚴(yán)格。我國(guó)核電站基礎(chǔ)建設(shè)所需的主泵鑄造泵殼依賴國(guó)外進(jìn)口，不僅要消耗大量資產(chǎn)，而且不能滿足我國(guó)核電站基礎(chǔ)建設(shè)的要求。

1核電主泵鑄造泵殼概況

核電站主泵鑄造泵殼是核電站的核心部件。原材料采用馬氏體-鐵素體不銹鋼板。其結(jié)構(gòu)繁瑣，質(zhì)量規(guī)定嚴(yán)格。整個(gè)過(guò)程及相關(guān)文件必須符合相關(guān)政策法規(guī)。核電站主泵的鑄造泵殼有一根進(jìn)水管和一個(gè)出水口，內(nèi)含三個(gè)支點(diǎn)。鑄造泵殼件規(guī)格為：3500mm×3150mm×2400mm（長(zhǎng)×寬×高），凈重約30t。加吹增段后的輪廓規(guī)格為：3720mm×3150mm×2620mm（長(zhǎng)×寬×高）。從上述情況可以看出，核電站主泵鑄造泵殼外形尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄件壁厚變化較大（最小壁厚約140mm，較大的壁厚約為 350 毫米）。

2.鋼水冶煉

根據(jù)舍弗勒曲線圖，根據(jù)冶煉和成品分析結(jié)果對(duì)鐵素體含量進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，鐵素體含量規(guī)定在12%～25%的中間。在開(kāi)發(fā)冶煉廠時(shí)，必須根據(jù)需要處理成分以確保指定特性。為確保碳含量保障措施，鉻元素質(zhì)量濃度控制目標(biāo)為20%，鎳元素質(zhì)量濃度控制目標(biāo)為10%。主泵殼鑄件是由馬氏體和少量鐵素體組成的不銹鋼板。大量使用珍貴的鋁合金。從冶煉的成本來(lái)看，采用吹氧或裝料的方式發(fā)展冶煉廠最為有效。但如果采用返法冶煉，則在冶煉全過(guò)程中不能合理去除磷含量，不利于鋼水磷含量的調(diào)節(jié)。根據(jù)高鉻、高鎳的特點(diǎn)，為保證鋼水中磷含量的調(diào)節(jié)，采用空氣氧化冶煉爐更為有效。馬氏體不銹鋼板鋼液主泵殼采用EAF LF VOD加工工藝?；厥諒U料由含硫、磷等低殘留元素的優(yōu)質(zhì)廢鋼、鑄鐵、鎳、鉬鐵組成，控制含碳量（質(zhì)量濃度）0.4%～0.6%，進(jìn)行粗加工。在電弧爐加熱爐中熔煉，粗熔后鋼水成分規(guī)定為C（質(zhì)量濃度）≤0.15%，P（質(zhì)量濃度）≤0.010%，鋼水溫度≥1660℃。在加熱爐中粗冶煉后，經(jīng)冶煉分析確定鋼水成分符合要求后，將鋼水從加熱爐倒入LF精煉爐，供另一冶煉廠使用。鋼水倒入加熱爐前，向LF精煉爐底部加入鋁、輕燒氧化鎂和產(chǎn)生的爐渣。鋼水倒入LF精煉爐后，分階段加入螢石粉和石灰粉，使用輕燒氧化鎂粉和硅。風(fēng)機(jī)在冶煉廠進(jìn)行爐渣調(diào)整。當(dāng)LF精煉爐中的煤灰呈白色且循環(huán)良好時(shí)，根據(jù)成分和調(diào)味料的下限將鋁合金加入冶煉廠。當(dāng)溫度≥1600℃時(shí)，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整鋼水成分。當(dāng)鋼水溫度為1630～1 650℃時(shí)，可從精煉爐中宣布。同時(shí)進(jìn)行鋼包排渣，保證排渣量≥95%。測(cè)溫，調(diào)整氡工作壓力為0.2～0.4MPa，VOD吹氫溫度控制在1540～1560℃，VCD溶解后，取樣分析后進(jìn)行脫氧，VD真空泵將進(jìn)行10分鐘左右解決。澆包前采用外排法，實(shí)際操作后吹氫氣。最后，冶煉廠鋼水的鋼包澆注溫度控制在1530～1550℃之間。

3澆筑與熱處理

主泵殼鍛件采用木制實(shí)體模型，采用全樹(shù)脂砂型砂型鑄造，造型設(shè)計(jì)為樹(shù)脂砂造型設(shè)計(jì)，面砂為新鉻砂，背砂為再生硅砂，并使用硬脂肪。鈣酸和硫酸銨環(huán)氧固化劑，可多次涂刷鋯石粉建筑涂料。采用三箱式底部回流澆注。實(shí)體模型充滿氡氣進(jìn)行維護(hù)。在整個(gè)澆注過(guò)程中，水口滑動(dòng)，采用冷鐵，提高金屬型鑄造的實(shí)際效果，完成順序冷凝，防止鑄件裂紋。澆注時(shí)間控制在五分鐘以內(nèi)。當(dāng)鑄件冷卻至200℃時(shí)，進(jìn)行拆包，拆除鑄件冒口預(yù)埋容量，對(duì)主泵鑄件進(jìn)行熱處理和回火熱處理工藝。熱處理回火熱處理工藝溫度為（1100±20）℃，保溫時(shí)間不少于24小時(shí)，采用車載式天然氣熱處理設(shè)備進(jìn)行，熱處理回火熱處理工藝升溫，隔熱保溫降溫工藝 溫度由電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)量，采用熱電阻。升溫速率不大于50℃/h。在熱處理和回火熱處理工藝公布后10分鐘內(nèi)將鑄件放入經(jīng)過(guò)熱處理的不銹鋼水槽中。，熱處理不銹鋼水箱應(yīng)為8m×8m×5m的熱處理水箱，采用水淬方式，保證不銹鋼水箱冷卻循環(huán)水連續(xù)充足的流動(dòng)性，熱處理時(shí)間不小于5小時(shí)。

4力學(xué)性能檢驗(yàn)

主泵殼鑄件本身經(jīng)過(guò)熱處理和回火熱處理工藝后，取泵殼鑄件的澆筑試塊任意試樣進(jìn)行物理性能試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)根據(jù) ASTMA370 規(guī)范進(jìn)行，也包含合金成分和應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)等。試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)無(wú)應(yīng)力腐蝕裂紋，合金成分應(yīng)具有馬氏體鐵素體不銹鋼板的特征。當(dāng)鑄件的物理性能不符合要求時(shí)，可再次進(jìn)行熱處理和回火熱處理工藝，但最多允許一次。經(jīng)過(guò)熱處理和回火工藝的主泵殼鑄件在數(shù)控龍門銑床、加工中心和數(shù)控鏜床上進(jìn)行初步加工。生產(chǎn)加工規(guī)格由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)加工工程圖紙進(jìn)行控制。初加工后，依次對(duì)鑄件表面進(jìn)行砂輪打磨和規(guī)格檢驗(yàn)，表面粗糙度規(guī)定為6.3μm。對(duì)主泵殼鑄件經(jīng)初步加工拋光后的內(nèi)外表面進(jìn)行100%檢驗(yàn)和100%液體顏色滲透檢驗(yàn)。檢查光強(qiáng)不低于1000 LUX。該檢查基于 ASME Vol.五“無(wú)損檢測(cè)”?！芬髨?zhí)行，規(guī)定鑄件內(nèi)外表面應(yīng)完好，不得有縮孔、裂紋、氣孔、雜質(zhì)或其他不良影響。液體顏色滲透試驗(yàn)按照ASME NB-2576的要求進(jìn)行。滲透檢測(cè)劑 介質(zhì)氯化物氟化物≤200×10-6，硫酸鹽≤200×10-6，檢測(cè)結(jié)果不能是線性指示，5mm以上的離散系統(tǒng)指示，密集型指示等液體后發(fā)現(xiàn)的缺點(diǎn)通過(guò)研磨和拋光去除已滲透的著色。排除缺陷后的主泵殼鑄件按ASME NB-2575的要求進(jìn)行100%輻射檢測(cè)。輻射測(cè)試和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為ASTME186和E280，不接受D、E、F和G類。在滲透檢測(cè)和輻射檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的缺陷去除后，采用焊接方法認(rèn)證的焊接方法進(jìn)行電焊修復(fù)，對(duì)修復(fù)后的缺陷進(jìn)行液體滲透檢測(cè)。焊補(bǔ)試驗(yàn)達(dá)標(biāo)后，泵殼鑄件需進(jìn)行至少48小時(shí)的穩(wěn)定熱處理工藝，采用天然氣熱處理設(shè)備，貼5個(gè)熱敏電阻，熱處理工藝溫度為（400± 20）℃。經(jīng)過(guò)穩(wěn)定的熱處理工藝后，鑄件按照工程圖紙和規(guī)范進(jìn)行加工制造，然后對(duì)泵殼進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工作壓力為一回路工作壓力的1.25倍，即22 MPa。

結(jié)語(yǔ)：

主泵殼采用質(zhì)量濃度為8%～11%鎳和18%～21%鉻的馬氏體鐵素體不銹鋼板鑄件，其中鐵素體質(zhì)量濃度為8%～20%，采用EAF LF VOD冶煉廠加工工藝采用木質(zhì)實(shí)體模型、全樹(shù)脂砂型砂型鑄造、三箱式底部回流澆注、實(shí)體模型內(nèi)充氡氣維護(hù)，澆注溫度控制在1530℃左右～1550℃，澆注時(shí)間控制在5分鐘以內(nèi)，澆注時(shí)間控制在 5分鐘內(nèi)完成，成功實(shí)施主泵泵殼的鑄造以及質(zhì)量控制。

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作者簡(jiǎn)介：張璐，1987年4月29日出生，男，漢族，本科，黑龍江省哈爾濱市，科員，研究方向：核工程方向。