第三代核主泵屏蔽電機的關鍵部件金屬材料國產化綜述

李雅范，李夢啟，秦 斌，鄭吉偉

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第三代核主泵屏蔽電機的關鍵部件金屬材料國產化綜述

李雅范1,2，李夢啟1,2，秦 斌1,2，鄭吉偉1,2

(1.黑龍江省核主泵工程技術研究中心，哈爾濱150066; 2哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱150066)

材料的國產化是設備國產化的基礎，第三代核主泵屏蔽電機部分關鍵材料在國內均為首次制造，能否實現國產化將會成為制約主泵電機國產化的瓶頸問題。為推進主泵電機關鍵材料的國產化進程，同時滿足后續項目的需求，依托國家科技重大專項，對部分關鍵材料的國產化研究進行了專項立項研究，取得了突破性的進展。通過與聯合單位的合作，進行了材料試制及試驗研究，實現了屏蔽套、電機軸，飛輪護環，高強度支撐筒及推力盤等關鍵部件材料的國產化制造，為核主泵電機的國產化奠定了材料基礎。本文主要論述了國家重大專項立項研究的關鍵部件金屬材料國產化情況。

核主泵；屏蔽電機；關鍵部件；金屬材料；國產化

0 前言

核主泵是在核反應堆中唯一長期高速轉動的裝備，是核電站的“心臟”。在我國積極推進的非能動第三代核電技術中，核主泵為屏蔽電機主泵。屏蔽電機是核主泵中的關鍵部件，也是核電設備中需要國產化的重要核一級設備。核主泵電機金屬材料的國產化，特別是關鍵部件材料的國產化是設備國產化的基礎，只有實現了關鍵部件材料的自主化，才能真正實現核電設備設計、制造的自主化。多年來，依托于國家重大專項的支持，經多方共同努力，核主泵電機關鍵部件金屬材料國產化取得了可喜的成果，多項關鍵材料實現了國內首次制造。與此同時，通過技術引進、消化吸收、再創新及自主研發選材，哈電動裝公司形成了整套完整的核主泵屏蔽電機材料技術文件，用于指導原材料的采購、制造及驗收，滿足了產品制造要求。

1 關鍵部件金屬材料的國產化

核主泵屏蔽電機零部件多，結構較為復雜，同時運行涉及了溫度，壓力及腐蝕、輻射等復雜工況，因此相對于軸封型核主泵用電機，它的選材種類多，并且一些材料技術要求苛刻。針對屏蔽電機的材料特點，進行了分類分析及評估，針對78種部件材料進行了統計，其中不銹鋼材料占36項，304類奧氏體不銹鋼占25項，403類馬氏體不銹鋼占9項，雙18奧氏體護環鋼2項。高溫合金占12項，碳鋼或合金鋼占9項。因此，僅從數量比例來看（非重量比例），電機內金屬材料不銹鋼、高溫合金及耐蝕合金占一半以上，約為65%。其中，關鍵部件材料及瓶頸材料是制約主泵電機國產化的難題，對這些部件材料，如電機殼體鍛件材料、定、轉子屏蔽套材料、支撐筒鍛件材料、電機軸鍛件材料、飛輪保持環鍛件等，公司依托國家重大專項“大型先進壓水堆核電站重大專項屏蔽電動泵制造技術”及“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站屏蔽主泵電機屏蔽套材料和飛輪護環制造及應用研究”，在國內尋求材料制造廠家聯合開展了科研開發工作，并取得了重大突破，為主泵電機的國產化制造及自主研發奠定了材料基礎。

1.1 電機殼體鍛件

電機殼體鍛件是核主泵屏蔽電機中最大的承壓邊界部件、核安全一級部件，是定子內部其他部件的載體和保護殼[1]。電機殼體鍛件由主法蘭、機殼和下法蘭3個部件組焊而成，其中主法蘭和機殼的材料為ASME SA-508M Gr.1[2]碳鋼鍛件，下法蘭的材料為304奧氏體不銹鋼鍛件，如圖1所示。

自2010年，哈電動裝先后聯合二重、沈陽科金、一重進行電機殼體鍛件的國產化研制，實現了下法蘭鍛件的國產化，但主法蘭鍛件和機殼鍛件材料國產化存在極大的難度，尚未完全實現國產化。機殼和主法蘭鍛件材料，在保證強度的基礎上，要求其具有高的塑韌性，尤其是對鍛件的無塑性轉變溫度提出了非常高的要求，RTNDT要求低于等于-45.6℃（-41℃不開裂），這在以往該種核電材料的技術要求上是沒有的。此外，相近的核島部件上，如碳鋼泵殼鍛件、蒸汽發生器鍛件、穩壓器鍛件，管板鍛件等，也選用該類材料，但其參考的無塑性轉變溫度最低也只有-29℃。該項要求挑戰了該材料無塑性轉變溫度的極限水平，成為該材料國產化制造的難點，甚至成為瓶頸問題。

圖1 核主泵屏蔽電機殼體整體鍛件

1.2 屏蔽套C-276薄板

與普通異步電動機相比，核主泵屏蔽電機的主要差異在于電動機內安裝了兩個屏蔽套：定子屏蔽套和轉子屏蔽套。冷卻劑在定、轉子屏蔽套的中間間隙流動，帶走轉子和定子的熱量，屏蔽套的主要作用是用來防止轉子銅條和定子繞組與反應堆冷卻劑接觸。屏蔽套通過兩張薄板滾半圓和拼焊制造，其材料為鎳基耐蝕合金ASTM B575 UNS N10276（C-276）[3]薄板, 該合金在各種腐蝕環境（包括電化學腐蝕和化學腐蝕）中，具有耐各種形式腐蝕破壞（包括均勻腐蝕、局部腐蝕以及應力腐蝕等）的能力，同時還具有電阻率高、強度高、導熱性能好、焊接性能優、非磁性的優點。

2012年，哈電動裝聯合寶鋼特鋼立項進行了國產化開發研究。研制此材料的困難主要有[4]：1）合金成分復雜，低碳、低硅、高鎢鉬含量是其主要成分特點，冶煉成分控制難度較大；2）產品尺寸規格要求高：產品厚度為0.4mm和0.76mm，板寬1020mm，軋制困難，且表面質量、板形、尺寸公差要求苛刻，生產難度極高，該規格已遠遠超出國內鎳基薄板的標準要求，國內鋼廠沒有相關業績；3）性能要求高：除ASTM B575要求的組織性能外，增加了電阻率的要求。目前國內的高溫合金和耐蝕合金產品中，從未把電阻率作為標準要求，沒有相應的經驗積累及相關報導，需要進行大量的試驗研究；4）制造難度大，材料合金成分高、變形抗力大，鍛造及軋制開裂傾向大；大扁鋼錠的電渣重熔工藝不穩定，導致表面溝槽后序很難消除，C276的熱軋及冷軋均屬首次；5）制造要求特殊性：達到表面質量需光亮退火，不允許酸洗處理；6）科研投入大：雖然每臺主泵電機的定轉子屏蔽套僅各用2張，但由于是卷制成形，試制過程中需要投入的坯料的量比較大，因此必須先進行小爐試驗摸索性能，再進行大爐生產。

在整個研制過程中，電渣重熔，鍛造及熱軋過程中均出現過開裂，其中，爐卷熱軋是制造工藝流程中的最大難點。在研制過程中，爐卷熱軋技術在很長時間都難以突破，后續的冷軋及光亮退火也不能進行。為了解決這個難題，保證工程進度，我們制定了兩種研制方案：一種是通過從國外外購熱軋鋼卷，繞開爐卷熱軋的難題，直接進入冷軋和光亮退火的研究，但由于缺少冶煉過程的控制，難以保證電阻率指標的合格；另一種是突破爐卷熱軋技術，整套制造工藝全部國產化。第一種研制方案在2015年完成，成功制造了合格的定、轉子屏蔽套薄板，研究成果已用于核主泵屏蔽電機中；第二種方案的爐卷熱軋技術在2016年2月取得重大突破，首次得到C-276鋼卷。在屏蔽套薄板研制成功的基礎上，進行了后續剪切、成型及焊接工藝研究，圖2為屏蔽核主泵電機樣機產品成功制造的屏蔽套產品件。

圖2 核主泵屏蔽電機屏蔽套部件

1.3 高強度支撐環

支撐環承受定子屏蔽套傳遞而來的高溫高壓，起到支撐定子屏蔽套的作用，同時要求材料不導磁，受工況限制，該部件選用的是UNILOY 888合金鍛件，此材料屬于高溫合金[5-8]。由于UNILOY 888是一種非標材料，國內各領域均未用過此材料，也無相關報導，因此國內制造廠均無該材料的制造業績，也無法供應該材料。

依托國家重大專項，哈電動裝聯合沈陽科金進行國產化研制，通過小件研究及1:1支撐筒鍛件驗證擬定工藝，并調整優化，最終確定了化學成分配比范圍，解決了熱變形易開裂、冶金質量控制等技術難題，開發了支撐筒鍛件成型工藝及熱處理工藝等成套制造技術。2013年，高強度支撐環材料實現國產化，實現了該鍛件材料的國內首次制造，圖3為到貨的支撐銅鍛件。

圖3 核主泵屏蔽電機高強度支撐環鍛件

1.4 轉子軸

轉子軸是核主泵屏蔽電機中最重要的傳動部件，長期在高溫高壓、強中子輻照、及交變載荷的水腐蝕環境中服役，對其強韌性能、耐腐蝕性能、組織均勻性、抗疲勞載荷性能等綜合性能提出很高的要求，以確保60年的設計壽命[9]。同時，為了滿足電機設計要求，還要求材料滿足一定的磁性能要求。轉子軸材料選用了ASTM A336 Type 403[10]馬氏體不銹鋼，該部件材料淬透性不好，受軸本體直徑較大限制，其強韌性等力學性能不高，此外，耐腐蝕性能和組織均勻性也不高，實際產品達到圖紙及采購規范要求具有很大難度，需要采取特殊冶煉及熱處理工藝控制。因此，轉子軸鍛件國產化研制的難點是實現強韌性和磁性能的同時達標。依托國家重大專項，哈電動裝聯合沈陽科金對轉子軸鍛件進行了國產化研制，通過小爐制造試驗件來摸索工藝、等比例產品模擬件驗證工藝的研制方案，完成了成分設計、冶煉、鍛造和熱處理整套制造工藝的研究，2013年實現了轉子軸鍛件的國產化試制，目前已成功應用于屏蔽核主泵電機樣機產品上。圖4為核主泵屏蔽電機樣機軸鍛件成品。

圖4 核主泵屏蔽電機軸鍛件

1.5 飛輪及飛輪保持環

飛輪設計的目的是增加軸系的轉動慣量，增加電機失電后的惰轉時間，以確保安全停堆。三代核主泵屏蔽電機中包括上、下兩個飛輪。每個飛輪由輪轂鍛件、鎢塊、護環鍛件、外殼組成。輪轂與轉子軸配合，材料與轉子軸的相同，為403馬氏體不銹鋼。鎢塊為ASTM B777[11]中Class 4，鎢含量97%以上。由于鎢的比重大，可以獲得更大的轉動慣量。護環用來保護重金屬鎢塊不飛逸，選用了ASTM A289M[12]中Grade 8高強度鍛件。外殼用來防止鎢塊、護環受到介質水的腐蝕，選用625鎳基耐蝕合金。

其中的材料制造難點主要在飛輪保持環上。飛輪保持環鍛件采用的ASTM A289 Gr.8材料，相當于汽輪發電機轉子護環上常用材料1Mn18Cr18N，但是強度級別卻采用了ASTM中的最高級別Gr.8，該級別在我國的機械部標準JB/T 7030[13]內是沒有的。實際上，上世紀八十年代中后期，我國曾組織國內幾家大型機械廠進行了護環材料研制，并且幾大重機廠如一重、二重、上重等研制的護環于九十年代通過了國家鑒定。但是由于沒有找到最優化的工藝參數，制造成本高、工藝不穩定，未能形成批量生產。目前，用量最大的高等級轉子護環仍大部分依賴進口，尤其是高等級的護環。

飛輪保持環的制造難點在于：1) 飛輪護環強度要求高，挑戰該材料極限水平；2）成分設計及冶煉控制，冶煉過程中，N元素的添加非常困難，需要采用加壓的電渣重熔設備，同時要具備豐富的實踐經驗和技巧；3) 鍛造工藝難，易于開裂；4) 冷漲成型工藝對設備及工裝工具要求高，需要設計專用工裝工具，使得脹形前后的變形量達到一定的數值以上。設計和制造難度大；5) 熱處理過程易于熱應力開裂。由于國內制造的護環僅達到6級，缺少高等級護環的制造業績和經驗，因此，依托國家重大專項，哈電動裝聯合制造廠對護環材料進行了研制，通過一系列措施攻克以上技術難點，在成分冶煉方面，提高了鋼水純凈度，將C、N、Mn、Cr控制在成分上限，控制殘余元素的含量，確定最佳的化學成分配比，提高奧氏體的穩定性及材料初始強度。電渣重熔過程中，控制電渣鋼錠的表面質量，避免鋼錠表面出現氣孔和裂紋。在鍛造過程中，嚴格控制每一火次的墩粗比、變形溫度及送進量，減少變形抗力。在固溶處理過程中，采取措施，控制奧氏體化的穩定性，保證組織均勻，為變形強化做好準備。在冷漲形過程中，采取了外補液液壓脹形特殊強化工藝及專用的護環壓機和工裝模具。冷脹形后，進行了消應力熱處理，既達到降低殘余應力目的，又提高了奧氏體組織的穩定性。通過以上研究，2015年底年完成了8級護環鍛件的國產化，且研究成果已用于核主泵屏蔽電機樣機上，護環成品鍛件見圖5。

圖5 核主泵屏蔽電機飛輪及護環部件

1.6 推力盤

推力盤是核主泵屏蔽電機軸承中的重要部件，承載著整個軸系的重量，它與推力軸承瓦塊組成摩擦配對副。從設計角度來考慮，要求推力盤的工作面必須具備耐磨的特點。單一材料的性能難以滿足推力盤工作面耐磨的要求，該部件采用了熱等靜壓技術，在基材鍛件的表面熱等靜壓一層硬質合金粉末層。熱等靜壓技術是在高溫時施加各向均勻的靜壓力，使材料實現致密化的工藝。

該部件的熱等靜壓工藝研究在國內尚屬首次，從包套設計和制造，熱等靜壓溫度，壓力參數摸索，及粉末冶金的界面擴散狀況及組織狀態，應力及開裂，均是國產化制造的難點。從2010年開始，依托國家重大專項，哈電動裝聯合北京安泰科技股份有限公司進行了推力盤材料及熱等靜壓工藝的國產化研究。推力盤的國產化設計有兩種結構：一種是ASTM B564[14]UNS N06600鍛件+Stellite 12粉末；另一種是ASTM A182[15]Gr.F347不銹鋼+690堆焊過渡層+Stellite 12粉末。目前，第一種結構的推力盤已成功研制，正在通過軸承試驗進行驗證；第二種結構正在進行347不銹鋼和690堆焊的研究，國產化研究仍在進行。該項工藝的開發目前雙方已經共同申報了國家發明專利，實際推力盤產品見圖6。

圖6 核主泵屏蔽電機推力盤成品件

2 結束語

材料是產品的基石。經過多年的努力，通過技術引進及消化吸收，依托國家重大專項立項研究，實現了核電主泵屏蔽電機關鍵部件的金屬材料的國產化研究及試制，在國內均屬于首次制造，為公司核主泵電機國產化制造奠定了扎實的材料基礎。

[1] 戚彩夢. 三代先進非能動型主泵電機碳鋼機座材料國產化研究[J].上海大中型電機，2015,(3): 17-23.

[2] ASME Sec.II PartA, SA-508M Specification for Quenched and Tempered Vacuum-treated Carbon and Alloy Steel Forgings for Pressure Vessels[S]

[3] ASTM B575-06, 低碳Ni-Cr-Mo、低碳Ni-Cr-Mo-Cu、低碳Ni-Cr-Mo-Ti、低碳Ni-Cr-Mo-W合金厚板、薄板及帶材規范[S].

[4] 秦斌，李雅范, 等. 核主泵屏蔽電機屏蔽套C-276 薄板國產化的難點分析. 上海大中型電機, 2015, (4).

[5] 鄭吉偉. 三代先進非能動型主泵電機用支撐筒材料熱處理工藝研究[J].大電機技術，2013,(4): 26-29.

[6] 崔忠圻. 金屬學與熱處理[M]. 機械工業出版社，1988

[7] L.柯洛姆比，J.戈赫曼. 不銹鋼與熱強鋼[M]. 中國工業出版社，1964.

[8] 黃乾堯，李漢康, 等. 高溫合金[M]. 冶金工業出版社, 2000.

[9] 張鵬. 第三代核反應堆冷卻劑泵電機用支轉子軸鍛件的研制[J].上海大中型電機，2015,(2): 11-14.

[10] ASTM A336M-06, Type 403 Standard Specification for Alloy Steel Forgings for Pressure and High-Temperature[S].

[11] ASTM B777-99, Standard Specification for Tungsten Base, High-Density Metal[S].

[12] ASTM A289M, Standard Specification for Alloy Steel Forgings for Nonmagnetic Retaining Rings for Generetor[S].

[13] JB/T 7030-2002, 300MW~600MW 汽輪發電機無磁性護環鍛件技術條件[S].

[14] ASTM B564-06, 鎳基合金鍛件標準[S].

[15]ASTM A182-08, 高溫用鍛制或軋制合金鋼公稱管道法蘭、鍛制管配件、閥門和零件[S].

Overview for Metallic Material Localization of Key Components of Canned Motor for the Third Generation Nuclear Reactor Coolant Pump

LI Yafan, LI MengQi, QIN Bin, ZHENG Jiwei

（Engineering Research Center of RCP Heilongjiang Province，Harbin 150066，China;）( Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150066, China.)

Material localization is the foundation of equipment localization. The partial key material for the Third Generation Nuclear Reactor Coolant Pump is manufactured in China for the first time. These will be bottle-neck issues whether material localization can be realized or not. In order to push material localization forward, and meet demands for the follow-up project, on the basis of national major special technology projects, study for the partial key material localization has been finished, and breakthrough development has been achieved. With the cooperation between manufacturers and our company, material manufacturing and its test has been finished. Localization for the key part material, such as shielded can sheets, motor shaft forgings, flywheel retaining rings, high strength supporting rings, and thrust runner forgings have been realized and become the base of the localization for Third Generation Nuclear Reactor Coolant Pump. This paper describes the localization progress of the key component of Canned Motor for Nuclear Main Pump.

nuclear reactor coolant pump; canned motor; key component; metallic material; localization

TM623, TM32

A

1000-3983（2017）02-0026-05

2016-09-26

李雅范（1970-），1991年畢業于哈爾濱工業大學，材料加工工程專業，工學碩士。ASME III卷核電建造篇中國工作組委員，中國鍛壓協會大鍛件理事會專家。目前從事金屬材料專業技術工作，任哈爾濱電氣動力裝備有限公司副總工藝師兼材料室主任，研究員級高工。

國家重大專項：大型先進壓水堆核電站重大專項屏蔽電動泵制造技術（課題編號2010ZX06001-013-10~24））；大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站屏蔽主泵電機屏蔽套材料和飛輪護環制造及應用研究（課題編號2015ZX06002001）。

審稿人：鄭時剛