核電廠反應(yīng)堆冷卻劑泵電機(jī)轉(zhuǎn)子銅條的開裂原因

雒曉輝,宋 立,趙 亮,王松波

(中廣核工程有限公司設(shè)備采購與成套中心，深圳 518124)

核電廠反應(yīng)堆冷卻劑泵(簡稱“主泵”)，位于一回路反應(yīng)堆與蒸汽發(fā)生器之間，是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的壓力邊界和關(guān)鍵設(shè)備之一，也是一回路主系統(tǒng)中唯一高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，主要作用是驅(qū)動(dòng)反應(yīng)堆一回路的冷卻介質(zhì)。在核電站正常功率運(yùn)行期間，主泵正常運(yùn)行導(dǎo)出堆芯熱量并輸送至蒸汽發(fā)生器傳給二次側(cè)[1]。核電廠反應(yīng)堆冷卻劑泵電機(jī)的質(zhì)量直接關(guān)乎核主泵的運(yùn)行可靠性與安全性，對(duì)反應(yīng)堆一回路承壓邊界完整性起著關(guān)鍵作用，而轉(zhuǎn)子銅條作為電機(jī)轉(zhuǎn)子的核心部件之一，其質(zhì)量控制的要求極為嚴(yán)格。

在某核電廠主泵電機(jī)轉(zhuǎn)子制造過程中，發(fā)現(xiàn)飛輪端方向轉(zhuǎn)子銅條存在一處橫向裂紋。圖1為該核電廠主泵示意圖。該主泵電機(jī)為10 kV異步、自通風(fēng)式立式鼠籠型三相感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)。電機(jī)不僅為主泵提供驅(qū)動(dòng)力，且具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以保證斷電時(shí)具備足夠惰轉(zhuǎn)能力，使堆芯繼續(xù)得到冷卻直至余熱排出泵投運(yùn)[2]。轉(zhuǎn)子銅條作為電機(jī)轉(zhuǎn)子的核心部件之一，需具有合適的力學(xué)性能，良好的導(dǎo)電性能，以保證 60 a的設(shè)計(jì)壽命。電機(jī)轉(zhuǎn)子銅條的加工、裝配精度高，需對(duì)銅條制造與裝配過程中的真空熔鑄、擠壓拉拔、剝皮、成型、缺陷檢查、釬焊、時(shí)效處理等工藝過程進(jìn)行嚴(yán)格控制[3]。主泵電機(jī)轉(zhuǎn)子銅條如圖2所示。

圖1 主泵示意圖

(a) 轉(zhuǎn)子裝配

本工作對(duì)該存在裂紋的轉(zhuǎn)子銅條進(jìn)行了裂紋宏觀形貌觀察，材料化學(xué)成分和力學(xué)性能測試，金相分析等一系列的理化檢驗(yàn)，并結(jié)合其生產(chǎn)工藝分析了裂紋產(chǎn)生的原因，為類似設(shè)備的裂紋檢查與預(yù)防提供了參考與借鑒。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 裂紋宏觀形貌觀察

通過液體滲透檢查，觀察轉(zhuǎn)子銅條的裂紋形貌，如圖3所示。由圖3可見，裂紋窄側(cè)面約5.6 mm，寬側(cè)面約6.8 mm，并伴有一定程度的磕碰與壓傷。

(a) 正面

1.2 材料性能

轉(zhuǎn)子銅條的材料為鋁青銅QAl9-4，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為8%～9% Al、≤1.2% Fe、≤0.5% Mn、≤1% Ni、≤0.2% Si、≤0.3% Sn、≤0.5% Zn、≤0.3% Pb、余量為Cu，滿足GB/T 5231-2012《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)》要求。對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試和纖維硬度測試，結(jié)果見表1。其中，布氏硬度為166～176 HB，平均值約170 HB，硬度較為均勻，測試結(jié)果滿足技術(shù)要求。

表1 鋁青銅QAl9-4的性能指標(biāo)與測試結(jié)果

1.3 斷面分析

1.3.1 斷面宏觀形貌

從轉(zhuǎn)子銅條裂紋處切割取樣，對(duì)裂紋斷面進(jìn)行觀察，如圖4所示。由圖4可見，橫向裂紋垂直于拉拔方向，屬于上下貫穿性裂紋，其深度為15～18 mm，縱向有分支裂紋，裂紋起源于銅條側(cè)面表層，可見擴(kuò)展花紋，裂紋從中部沿板厚中線分為兩部分?jǐn)U展，斷面處無夾渣物，未見材料宏觀缺陷特征[4-5]。裂紋斷面呈深黃色，顏色相對(duì)較深，表面有明顯的氧化色，在常溫下鋁青銅很難自然氧化成深顏色，只有在高溫下才能形成較深的氧化色。銅條制造過程中的高溫?cái)D制環(huán)節(jié)溫度約1 200 ℃，為高溫有氧環(huán)境，存在產(chǎn)生高溫氧化的可能。此外，斷面上出現(xiàn)皺紋形貌，且上下貫穿，說明裂紋在鋁青銅扁棒拉制工序之前產(chǎn)生，而不是在拉制過程中產(chǎn)生，由此可見鋁青銅扁棒裂紋來源于坯料。

(a) 裂紋源形貌

1.3.2 斷面微觀形貌

采用Quant 650型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)裂紋斷面進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見：裂紋起源于側(cè)面表層，裂紋斷面未發(fā)現(xiàn)裂紋分叉與腐蝕痕跡，開裂區(qū)域與基體組織未見異常，均為孿生組織；在斷裂源區(qū)，可見裂紋沿晶擴(kuò)展，呈明顯的二次沿晶斷裂特征；在棱邊區(qū)，可見較薄層的剪切唇及韌窩，符合典型的脆性斷裂特征[6-7]。

(a) 總體形貌 (b) 裂紋源區(qū)形貌 (c) 棱邊區(qū)形貌

采用X射線能譜儀對(duì)轉(zhuǎn)子銅條裂紋源區(qū)及轉(zhuǎn)子銅條中心區(qū)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見：裂紋源區(qū)除銅及鋁元素外，還含有氧元素，而中心區(qū)無氧元素，這說明在裂紋形成過程銅條發(fā)生了一定程度的高溫氧化，使裂紋斷面區(qū)引入了氧元素，因此銅條是在高溫下發(fā)生開裂的。

(a) 裂紋源區(qū) (b) 中心區(qū)

1.4 金相分析

沿垂直于轉(zhuǎn)子銅條表面裂紋截取金相試樣，經(jīng)磨制、拋光及FeCl3鹽酸溶液浸蝕后對(duì)其進(jìn)行金相分析，如圖7所示。由圖7可見，銅條表層有一層厚度約0.1 mm的變形組織層，裂紋頭部有與表面呈小夾角的裂口，裂紋沿晶擴(kuò)展，裂紋附近可見較多小裂口，材料基體組織為α相條狀、點(diǎn)狀共析體[8-9]。從開裂銅條的中心位置及裂紋部分取樣，采用金相顯微鏡觀察其晶粒形貌，結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，鋁青銅材料的晶粒均勻細(xì)小，晶粒尺寸在0.03 mm左右，中心處和裂紋邊緣處均沒有發(fā)現(xiàn)夾雜物與氧化物，裂紋斷面上無腐蝕痕跡，因此其受腐蝕介質(zhì)影響而產(chǎn)生裂紋的可能性較小。

(a) 裂紋頭部

(a) 中心位置

根據(jù)脆性斷裂理論，金屬發(fā)生脆性斷裂時(shí)通常伴隨著一定程度的塑性變形。因此，在金屬斷裂過程中，除了為新裂紋表面形成提供所需的能量外，還需為擴(kuò)展過程中裂紋尖端區(qū)薄層的塑性變形提供能量。根據(jù)Griffith斷裂理論，如式(1)所示，裂紋擴(kuò)展時(shí)材料抗力取決于彈性表面能與裂紋擴(kuò)展塑性變形能之和[10]。

(1)

式中：γ和γp分別為表面能和塑性變形能；σ為斷裂應(yīng)力；E為彈性模量；a為裂紋尺寸。

基于此理論，可以認(rèn)為晶界損傷的主要效果是塑性變形能的降低，而塑性變形能則決定了晶界區(qū)的塑性變形和形變強(qiáng)化特性，其值大小對(duì)金屬的抗脆性斷裂影響很大，初始裂紋形成后，如無足夠的外加能量，則裂紋擴(kuò)展即將被終止。因此，當(dāng)銅條產(chǎn)生初始裂紋后，在銅條拉制過程中由于受拉應(yīng)力等因素影響，裂紋得到進(jìn)一步擴(kuò)展。

2 失效原因分析

能譜分析結(jié)果表明轉(zhuǎn)子銅條中無異常元素存在，金相分析結(jié)果表明其組織正常，硬度測試結(jié)果也未見異常。裂紋由轉(zhuǎn)子銅條外表面向內(nèi)延伸，整個(gè)斷面均呈沿晶斷裂特征，未見腐蝕痕跡，可排除應(yīng)力腐蝕開裂的可能，同時(shí)斷面存在輕微高溫氧化現(xiàn)象，表明銅條應(yīng)是在高溫下發(fā)生開裂。該轉(zhuǎn)子銅條采用行業(yè)通用的擠制拉拔工藝，其主要工序有真空熔鑄、擠制、拉拔、時(shí)效處理等。結(jié)合工藝流程可推斷，轉(zhuǎn)子銅條應(yīng)是在擠壓變形過程中由于力與溫度的作用發(fā)生沿晶開裂。

轉(zhuǎn)子銅條的擠壓過程是其制造的關(guān)鍵過程，鍛壓摺疊、心部裂紋或表面裂紋對(duì)擠壓溫度、擠壓速率、保溫時(shí)間等參數(shù)均有較高的敏感性，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致過熱、過燒。因此，選擇合適的參數(shù)才能獲得細(xì)小均勻的晶粒組織。在轉(zhuǎn)子銅條的擠壓過程中，由于擠壓速率參數(shù)設(shè)置偏大，導(dǎo)致銅錠芯部的金屬流速過快，而表面金屬因摩擦力較大流速慢，越靠近銅錠尾部，流速差越大，在力與溫度的共同作用下形成縮尾性分層使銅條產(chǎn)生高溫?cái)D壓裂紋。產(chǎn)生的初始裂紋在后續(xù)的拉制過程中受拉應(yīng)力影響而進(jìn)一步擴(kuò)展。

針對(duì)轉(zhuǎn)子銅條裂紋產(chǎn)生的原因，從以下兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。一是優(yōu)化轉(zhuǎn)子銅條擠壓速率，將擠壓速率降低約10%，以減少擠壓裂紋的產(chǎn)生。二是在加工制造與成品驗(yàn)收階段，加強(qiáng)質(zhì)量檢驗(yàn)，通過無損檢驗(yàn)(如液體滲透、超聲波檢驗(yàn))手段使難以消除的微裂紋能夠及時(shí)被發(fā)現(xiàn)與評(píng)估。結(jié)合上述建議，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子銅條如圖9所示。經(jīng)檢驗(yàn)，未在優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子銅條上發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，銅條的質(zhì)量得到了大幅提升。

圖9 采用優(yōu)化工藝制造的轉(zhuǎn)子銅條

3 結(jié)論與建議

通過分析主泵電機(jī)轉(zhuǎn)子銅條的化學(xué)成分、力學(xué)性能、斷口形貌、顯微組織等可知，轉(zhuǎn)子銅條產(chǎn)生裂紋的根本原因是在鋁青銅型材成型環(huán)節(jié)的擠壓變形過程中，力和溫度的共同作用使其發(fā)生沿晶開裂。針對(duì)轉(zhuǎn)子銅條產(chǎn)生裂紋的根本原因，從銅條擠壓參數(shù)優(yōu)化及無損檢查方面提出了具體的改進(jìn)措施，明確了擠壓速率降低的定量指標(biāo)。經(jīng)檢查，優(yōu)化后的銅條無明顯裂紋缺陷，使主泵電機(jī)轉(zhuǎn)子銅條的產(chǎn)品性能得到了進(jìn)一步提升。