核電廠輔助給水汽動(dòng)泵誘導(dǎo)輪入口葉片汽蝕研究分析

(廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001)

核電廠輔助給水泵(ASG)為專(zhuān)設(shè)安全系統(tǒng)重要設(shè)備，當(dāng)正常給水系統(tǒng)失效時(shí)，通過(guò)輔助給水泵向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)給水，以排出堆芯余熱。另外在熱停堆時(shí)和向冷停堆過(guò)渡期間，代替主給水系統(tǒng)向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)給水。國(guó)內(nèi)某核電廠輔助給水泵在第二輪大修進(jìn)行泵水力部件時(shí)，發(fā)現(xiàn)3號(hào)泵誘導(dǎo)輪入口4塊葉片根部存在不同程度汽蝕點(diǎn)坑，最大深度達(dá)1.5 mm(見(jiàn)圖1)，而基地內(nèi)其余3臺(tái)相同型號(hào)的泵均未出現(xiàn)類(lèi)似缺陷。本文通過(guò)分析葉片汽蝕產(chǎn)生的原因，并從設(shè)計(jì)與運(yùn)維方式上提出改進(jìn)措施。

圖1 誘導(dǎo)輪葉片缺陷Fig.1 Inducer blade defects

1 給水泵參數(shù)

該輔助給水泵為兩級(jí)臥式離心泵，由單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)(見(jiàn)圖2)。汽輪機(jī)與泵同軸，在汽側(cè)和泵側(cè)各有一個(gè)水潤(rùn)滑的徑向軸承，潤(rùn)滑水取自泵側(cè)一級(jí)葉輪出口。泵側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件包含兩個(gè)離心式葉輪、一個(gè)平衡盤(pán)和一個(gè)誘導(dǎo)輪。誘導(dǎo)輪是一個(gè)軸流葉輪，材質(zhì)為Stellite 6合金，置于一級(jí)葉輪入口側(cè)，用螺栓固定在泵軸上，作用為增加一級(jí)葉輪的吸入壓力，有效降低流體對(duì)一級(jí)葉輪的汽蝕影響。該泵供應(yīng)商為CLYDE UNION，型號(hào)為T(mén)WL 45S，其主要性能參數(shù)如表1所示。

圖2 泵結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Pump structure

表1 主要性能參數(shù)

泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪內(nèi)部各位置水產(chǎn)生的壓力大小有區(qū)別，如入口位置的壓力相對(duì)較低，而出口位置的壓力相對(duì)較高。當(dāng)葉輪內(nèi)部的最低壓力和當(dāng)時(shí)水溫下飽和蒸汽的壓力相等時(shí)，這里的液體就會(huì)汽化從而產(chǎn)生汽泡，汽泡隨水流到葉輪的高壓區(qū)時(shí)，由于壓力的上升比飽和蒸汽壓力高，就會(huì)出現(xiàn)汽泡潰滅的現(xiàn)象。水不斷從葉輪入口處流過(guò)，汽泡的產(chǎn)生和潰滅就會(huì)源源不斷，對(duì)葉輪沖擊頻率會(huì)非常高。當(dāng)這樣的高頻率沖擊發(fā)生在葉輪金屬表面時(shí)，就會(huì)使金屬表面產(chǎn)生疲勞破壞而剝落。這就是汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生過(guò)程和破壞機(jī)理。汽蝕過(guò)程主要分為起始階段、上升期、穩(wěn)定期及下降期四個(gè)階段。葉輪在汽蝕工況中所處的時(shí)間越長(zhǎng)，金屬表面材料剝落越多，重量會(huì)減輕，單位時(shí)間內(nèi)減輕的重量稱(chēng)之為汽蝕失重率，其在汽蝕過(guò)程四個(gè)階段的趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

圖3 汽蝕失重率-時(shí)間曲線Fig.3 Cavitation weight loss rate-time curve

2 缺陷原因分析

從可查閱到的信息統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)34臺(tái)型號(hào)相同的輔助給水泵，此泵在運(yùn)行一個(gè)循環(huán)即出現(xiàn)嚴(yán)重的汽蝕。下面從設(shè)計(jì)選型、汽動(dòng)泵的系統(tǒng)運(yùn)行工況、本身材料特性三方面進(jìn)行分析。

2.1 設(shè)計(jì)選型分析

2.1.1 誘導(dǎo)輪抗汽蝕性能設(shè)計(jì)校核

誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)時(shí)，通常假設(shè)額定流量下零入口預(yù)旋，此時(shí)誘導(dǎo)輪輪緣進(jìn)口速度三角形見(jiàn)圖4。

圖4 誘導(dǎo)輪入口輪緣速度三角形Fig.4 Inducer inlet flange velocity triangle

定義進(jìn)口流量系數(shù)φ為：

(1)

(2)

其中,βy1為葉片出口安放角；Δβy1為輪緣進(jìn)口沖角；

定義輪轂比Sh=dh/Dy；其中D為輪緣直徑，dh為輪轂直徑；

沖角Δβy1直接影響葉片負(fù)荷的大小，沖角大，最低壓力點(diǎn)前移，抗汽蝕性能變壞；過(guò)小則葉片對(duì)流體的能量傳遞效率變差。由于該誘導(dǎo)輪為變螺距誘導(dǎo)輪，誘導(dǎo)輪效率由出口安放角決定，入口沖角僅需考慮抗汽蝕性能，所以選取較小的沖角有利于抗汽蝕性能的提高。

誘導(dǎo)輪的抗汽蝕性能主要取決于進(jìn)口流量系數(shù)φ，由(1)式可得出進(jìn)口流量系數(shù)φ為0.083 740 677，在推薦值0.06～0.15范圍內(nèi)[1]。

(3)

誘導(dǎo)輪汽蝕比轉(zhuǎn)速C由公式(3)計(jì)算得出，推薦范圍為1 500～5 000。將以上計(jì)算所得的進(jìn)口流量系數(shù)及輪轂比代入(3)式可得汽蝕比轉(zhuǎn)速C為8 977.354 03，大于推薦范圍。汽蝕比轉(zhuǎn)速越大表明其抗汽蝕性能越強(qiáng)。

2.1.2 運(yùn)行工況汽蝕分析

此泵運(yùn)行工況方式有日常試驗(yàn)小流量、大修期間額定全流量、超速試驗(yàn)三種，以下采用CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模擬法分析誘導(dǎo)輪的壓力及汽泡體積分?jǐn)?shù)分布。誘導(dǎo)輪三維幾何模型通過(guò)ProE繪圖軟件建立，輪緣曲線實(shí)際測(cè)繪，輪轂曲線根據(jù)導(dǎo)程相等原則繪制，將輪緣曲線作為壓力面，吸力面按照實(shí)測(cè)加厚處理，并在輪轂處倒圓角。

(1)誘導(dǎo)輪壓力分布

從圖5壓力分布圖顏色可知，顏色越深代表負(fù)壓越低。從建模分析來(lái)看，超速工況下的誘導(dǎo)輪入口區(qū)域顏色比小流量工況和額定流量工況更深，所以負(fù)壓是最低的，證明超速工況更易發(fā)生汽蝕。

圖5 三種工況下誘導(dǎo)輪壓力分布Fig.5 Pressure distribution of inducer under three working conditions

從圖6汽泡體積分?jǐn)?shù)分布可知，小流量工況和額定流量工況，除葉尖少量汽化外，整個(gè)誘導(dǎo)輪基本沒(méi)有汽化發(fā)生，僅在超速工況下有汽化發(fā)生。

圖6 三種工況下誘導(dǎo)輪表面汽泡體積分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Distribution of bubble volume fraction on the surface of the inducer under three working conditions

(3)超速工況汽蝕原因分析

ASG汽動(dòng)泵的超速試驗(yàn)是通過(guò)逐漸關(guān)小泵入口閥，使整個(gè)系統(tǒng)流動(dòng)阻力變大，引起流量減小，在蒸汽量不變情況下，使泵的轉(zhuǎn)速升高，達(dá)到超速工況[2]。泵入口閥的漸關(guān)，也使泵入口壓力下降，當(dāng)下降到EOMM手冊(cè)要求泵的有效汽蝕余量NPSHr時(shí)始發(fā)生汽蝕[3]，此時(shí)泵內(nèi)汽泡較少，泵轉(zhuǎn)速變化不明顯。隨著閥門(mén)的繼續(xù)關(guān)小，當(dāng)入口壓力降到水的蒸汽飽和壓力附近時(shí)，泵內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重汽蝕，流道被大量汽泡占據(jù)，流量快速下降，轉(zhuǎn)速也會(huì)快速上升到超速值，觸發(fā)超速保護(hù)停機(jī)。由此可知,ASG汽動(dòng)泵超速試驗(yàn)是通過(guò)關(guān)閥降低負(fù)荷來(lái)達(dá)到超速，執(zhí)行超速試驗(yàn)必然發(fā)生汽蝕。

通過(guò)超速工況下汽泡體積分布渲染圖(見(jiàn)圖7)可以定性地得出汽化發(fā)生的總體位置及形態(tài)分布。汽泡的生成位置與2ASG003PO實(shí)際汽蝕位置基本符合，汽蝕位置均在誘導(dǎo)輪入口輪轂側(cè)。

圖7 超速工況下汽泡體積分布渲染圖Fig.7 Visualization of bubble volume distribution under overspeed condition

綜上所述：

1)從各個(gè)工況的建模結(jié)果來(lái)看，小流量工況和額定流量工況下誘導(dǎo)輪不會(huì)發(fā)生汽蝕，超速工況下誘導(dǎo)輪會(huì)發(fā)生汽蝕；

2)從實(shí)際汽蝕位置及建模的結(jié)果來(lái)看，汽蝕位置在誘導(dǎo)輪入口輪轂側(cè)，與現(xiàn)場(chǎng)情況一致，同時(shí)驗(yàn)證了建模結(jié)果的可靠性。

阿東眼淚再次奪眶。他摟著阿里的頭，一下一下地?fù)崦偛虐⒗镌?jīng)撞擊過(guò)的地方。然后說(shuō)：“阿里太聰明了。是的，姆媽就在那里。”他的眼淚落下來(lái)，滴在阿里頭上。

2.2 汽動(dòng)泵的系統(tǒng)運(yùn)行工況對(duì)比分析

試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)的差異、超速試驗(yàn)次數(shù)的不同、每臺(tái)汽動(dòng)泵進(jìn)口管道布置不同可能會(huì)帶來(lái)運(yùn)行工況的變化從而產(chǎn)生汽蝕。通過(guò)對(duì)比基地1/2ASG003/004PO四臺(tái)汽動(dòng)泵的這些差異來(lái)尋找可能導(dǎo)致2ASG003PO誘導(dǎo)輪產(chǎn)生汽蝕的原因。

(1)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

對(duì)比1/2ASG003/004PO日常試驗(yàn)進(jìn)汽壓力、轉(zhuǎn)速、泵出口壓力和流量，均在同一要求范圍內(nèi)，各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定。

如開(kāi)閥時(shí)間過(guò)快，泵入口壓力迅速下降，可能會(huì)產(chǎn)生汽蝕。對(duì)比1/2ASG003/004PO的開(kāi)閥時(shí)間，均在1～3 s，無(wú)異常。

如啟泵時(shí)間過(guò)快，泵入口壓力迅速下降，可能會(huì)產(chǎn)生汽蝕。對(duì)比1/2ASG003/004PO的啟動(dòng)時(shí)間，均在4～6 s，無(wú)異常。

(2)超速試驗(yàn)次數(shù)與試驗(yàn)時(shí)間對(duì)比

對(duì)比1/2ASG003/004PO在投入商運(yùn)后執(zhí)行超速試驗(yàn)次數(shù)與試驗(yàn)時(shí)間(見(jiàn)圖8)發(fā)現(xiàn)，2ASG003PO執(zhí)行超速試驗(yàn)的次數(shù)最少，試驗(yàn)時(shí)間僅比2ASG004PO多0.75 h，因此運(yùn)行工況與運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)不是2ASG003PO誘導(dǎo)輪快速汽蝕的原因。

圖8 4臺(tái)汽動(dòng)泵投入運(yùn)行后超速試驗(yàn)次數(shù)與時(shí)間對(duì)比(h)Fig.8 Comparison of the number and time of overspeed test of the four steam-driven pumps after they are put into operation(h)

(3)現(xiàn)場(chǎng)管道布置對(duì)比

對(duì)比四臺(tái)汽動(dòng)泵的入口管道布置，發(fā)現(xiàn)ASG003PO管道比1/2ASG004PO管道更短，彎頭更少，管道損失更小，泵入口壓力瞬間降低的少，汽動(dòng)泵ASG003PO運(yùn)行時(shí)誘導(dǎo)輪產(chǎn)生汽蝕的概率要比ASG004PO小。

(4)汽動(dòng)泵振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比

查詢ASG003/004PO歷次振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)，皆無(wú)超過(guò)報(bào)警值(7 mm/s)的現(xiàn)象。頻譜主要以葉輪通過(guò)頻率及其諧波為主要成分，1/2倍頻分量幅值很小且趨勢(shì)穩(wěn)定。設(shè)備整體振動(dòng)良好，振動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致誘導(dǎo)輪產(chǎn)生汽蝕點(diǎn)坑，且該汽蝕點(diǎn)坑缺陷也未到達(dá)影響振動(dòng)的程度。

通過(guò)以上對(duì)比分析，可知運(yùn)行參數(shù)、超速試驗(yàn)次數(shù)與運(yùn)行時(shí)間、管道布置、振動(dòng)均不是導(dǎo)致2ASG003PO誘導(dǎo)輪產(chǎn)生快速汽蝕的因素。

2.3 誘導(dǎo)輪本身材料特性分析

以下從誘導(dǎo)輪本身材料特性分析。

誘導(dǎo)輪尺寸分析：通過(guò)對(duì)比更換下的誘導(dǎo)輪及庫(kù)存誘導(dǎo)輪備件相應(yīng)尺寸，其葉片厚度、進(jìn)出口安放角，輪緣直徑、輪轂直徑等關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)均相同。

機(jī)加工機(jī)械損傷：查驗(yàn)2ASG003PO出廠完工報(bào)告，發(fā)現(xiàn)出廠階段已進(jìn)行PT無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果合格，表明汽蝕區(qū)域未見(jiàn)機(jī)械損傷。

化學(xué)成分分析：誘導(dǎo)輪材質(zhì)為Stellite 6合金，通過(guò)對(duì)汽蝕缺陷誘導(dǎo)輪部件及庫(kù)存新備件進(jìn)行光譜化學(xué)成分分析，結(jié)果表明鈷鉻鎢元素含量基本相同，并與制造完工報(bào)告EOMR中的元素含量(見(jiàn)圖9)對(duì)比，也相差較小。

圖9 誘導(dǎo)輪元素含量對(duì)比(%)Fig.9 Comparison of the element content of the inducer(%)

金相組織分析：對(duì)2ASG003PO誘導(dǎo)輪的進(jìn)出口兩端面做金相分析，結(jié)果顯示誘導(dǎo)輪進(jìn)出口兩端面金相組織皆為富Co固溶體+固溶體和碳化物共晶(見(jiàn)圖10)，其大小、形態(tài)及各相分布也基本保持一致。與國(guó)內(nèi)另一核電基地更換下來(lái)的誘導(dǎo)輪金相結(jié)果(見(jiàn)圖11)相同，說(shuō)明金相不是導(dǎo)致2ASG003PO誘導(dǎo)輪快速汽蝕的原因。

圖10 2ASG003PO誘導(dǎo)輪金相組織Fig.10 The metallographic structure of the 2ASG003PO inducer

圖11 國(guó)內(nèi)另一核電基地2ASG004PO誘導(dǎo)輪金相組織Fig.11 The metallographic structure of the 2ASG004PO inducer at another nuclear power base in China

硬度測(cè)試：在誘導(dǎo)輪入口處端面、出口處端面、汽蝕附近位置進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn)(圖12)。結(jié)果表明入口處端面及出口處端面的硬度相差較大。通過(guò)與國(guó)內(nèi)另一核電基地誘導(dǎo)輪測(cè)試的硬度、EOMR中的硬度(40 HRC)對(duì)比可知2ASG003PO誘導(dǎo)輪入口處端面及汽蝕附近位置的硬度偏低，且低于Stellite 6合金硬度值標(biāo)準(zhǔn)值40～41 HRC[4]。當(dāng)汽蝕工況產(chǎn)生的高頻沖擊不斷擊打誘導(dǎo)輪表面時(shí)，就會(huì)使低硬度區(qū)域出現(xiàn)一定的疲勞及塑性變形直至最后剝落。

圖12 誘導(dǎo)輪洛氏硬度HRC值比對(duì)Fig.12 HRC value comparison of the Rockwell hardness of the inducer

金屬硬度是衡量金屬材料的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，既可理解為材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，也可認(rèn)為材料抵抗殘余變形和反破壞的能力。硬度是材料塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)。材料的硬度主要與材料的化學(xué)成分、金相組織及熱處理工藝有關(guān)，熱處理工藝可以改變材料內(nèi)部應(yīng)力的分布，從金相組織及化學(xué)成分均未見(jiàn)明顯差異。由此推斷制造廠在誘導(dǎo)輪材料熱處理過(guò)程中可能存在偏差，引起誘導(dǎo)輪入口葉片輪轂側(cè)材料內(nèi)部應(yīng)力分布不均，進(jìn)而導(dǎo)致誘導(dǎo)輪入口葉片輪轂側(cè)硬度低于標(biāo)準(zhǔn)值。

3 改進(jìn)措施

3.1 運(yùn)維方式改進(jìn)

通過(guò)以上分析，該汽動(dòng)泵誘導(dǎo)輪入口葉片根部存在汽蝕點(diǎn)坑的主要原因是超速試驗(yàn)工況下產(chǎn)生汽蝕導(dǎo)致，因此調(diào)整運(yùn)維方式可以減少此風(fēng)險(xiǎn)。

電廠安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備定期試驗(yàn)監(jiān)督大綱要求每個(gè)換料周期需進(jìn)行超速試驗(yàn)，以驗(yàn)證超速保護(hù)動(dòng)作功能正常。超速試驗(yàn)時(shí)間越短，對(duì)誘導(dǎo)輪入口葉片汽蝕危害越小。2ASG003PO超速試驗(yàn)平均時(shí)間達(dá)到3.9 h，較其他3臺(tái)泵高出約1 h，汽蝕風(fēng)險(xiǎn)增大。因此試驗(yàn)組織安排需精心策劃，人員演練到位，使得試驗(yàn)期間達(dá)到最優(yōu)化。

在每個(gè)換料周期的維修大綱檢查項(xiàng)目增加硬度檢測(cè)，定期評(píng)估材料抵抗汽蝕的能力是否有變化，提前采取維修或更換措施。

3.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

實(shí)踐證明[5]，利用超音速噴涂技術(shù)制備的Deloro 60合金涂層表面硬度最高，可達(dá)到621 HV，且在相同的運(yùn)行工況條件下其質(zhì)量損失率和面積脫落率為Stellite 6合金涂層的72%與8%，具有較好的耐磨性能和較高的強(qiáng)度。考慮在2ASG003PO汽動(dòng)泵誘導(dǎo)輪入口葉片噴涂Deloro 60合金涂層，抵抗汽蝕能力較Stellite 6合金涂層將會(huì)有明顯的提升。

4 結(jié)論

綜合以上分析，2ASG003PO汽動(dòng)泵誘導(dǎo)輪入口葉片根部存在汽蝕點(diǎn)坑的根本原因是葉片硬度低于Stellite 6合金硬度值標(biāo)準(zhǔn)值，不符合設(shè)備制造完工報(bào)告(EOMR)中的要求值，在超速試驗(yàn)期間汽蝕工況使誘導(dǎo)輪表面產(chǎn)生疲勞破壞導(dǎo)致剝落。通過(guò)優(yōu)化減少超速試驗(yàn)時(shí)間，且在維修大綱增加硬度檢測(cè)項(xiàng)目，降低汽蝕導(dǎo)致葉片失效的風(fēng)險(xiǎn)。后續(xù)如考慮將葉片噴涂Deloro 60合金涂層，抵抗汽蝕能力將會(huì)有明顯的提升。