某核電廠冷卻水泵葉輪的裂紋成因分析與制造工藝改進

陳 強,黃立軍,車銀輝,關建軍,王勤湖,李 洋

(蘇州熱工研究院有限公司，深圳 518120)

在某核電集團1 000 MW壓水堆核電機組檢修過程中，發(fā)現(xiàn)32臺同型號設備冷卻水泵的葉輪葉片根部普遍存在裂紋。該冷卻水泵為單級單吸臥式離心泵，水泵葉輪的材料為Z6CNU17-04(法國牌號)馬氏體不銹鋼。

離心泵葉輪根部產(chǎn)生裂紋的原因有很多，如汽蝕、磨損、振動和加工制造缺陷等[1-8]。當離心泵的進口壓力小于液體飽和蒸氣壓時，液體蒸發(fā)產(chǎn)生很多小氣泡，使流道壓力變化[1]，產(chǎn)生沖擊和振動[2]，導致葉輪損傷，出現(xiàn)裂紋。高溫蒸氣還會造成金屬泵體和葉輪發(fā)生化學腐蝕，形成蜂窩狀形貌。汽蝕導致葉輪質(zhì)量變化,產(chǎn)生共振[3]，如果流體為液固兩相，固體顆粒會加劇磨損[4-6]。NIE等[7]研究了葉輪在海水中的裂紋擴展行為，KAR等[8]分析了非金屬葉輪失效的原因。葉輪生成大多采用鑄造工藝。與一般零件鑄造一樣，鑄造葉輪可能出現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋[9-12]等缺陷。

本工作從冷卻水泵葉輪的裂紋形貌、材料性能、鑄造工藝、熱處理工藝等多方面著手，分析了葉輪產(chǎn)生裂紋的原因，據(jù)此提出并實施了改進措施，成功消防了葉輪的裂紋問題。

1 理化檢驗與結果

1.1 裂紋形貌觀察

樣品葉輪共有7個位置存在裂紋，分別對其進行標記，如圖1所示。其中，1～4號裂紋位于葉片根部與蓋板“T型”交角位，1、2號裂紋附近還存在葉片穿孔現(xiàn)象；5、6號裂紋位于葉片背部靠近輪轂處；7號裂紋位于葉片根部與蓋板交角且遠離邊緣位置。

圖1 裂紋位置標記Fig. 1 Marking the locations of cracks

利用基恩士VHX-1000E型體式光學顯微鏡觀察各裂紋。結果表明，標記的裂紋不是單個裂紋，而是多個鑄造缺陷連接而成的類裂紋。以下以6號裂紋為例進行分析，該處可見明顯的冶金缺陷，如圖2所示。

圖2 6號裂紋局部放大后形貌Fig. 2 Macrograph of crack No. 6 after partial magnification

沿6號裂紋將葉輪打開，利用體式顯微鏡觀察其斷面形貌，如圖3所示。由圖3可見，斷面分為人工打斷區(qū)域(人工斷面)和裂紋區(qū)域(裂紋斷面)；裂紋區(qū)域為灰黑色，并夾雜部分黃色，呈現(xiàn)明顯的氧化特征，無斷裂特征，為典型的鑄造缺陷，據(jù)此可認為各處裂紋是在鑄造階段產(chǎn)生的。在黑色的裂紋區(qū)域邊界未觀察到疲勞拓展區(qū)，這說明在運行過程中，裂紋尚未發(fā)生拓展。

利用JSM 6510型掃描電子顯微鏡(SEM)進一步觀察裂紋斷面的微觀形貌。結果表明，幾個裂紋斷面均無明顯斷裂特征。圖4為6號裂紋斷面處的微觀形貌。由圖4可以看到，裂紋斷面上有較厚的氧化層，且呈現(xiàn)多層特征，根據(jù)葉輪制造工藝，該特征可能是鑄造裂紋產(chǎn)生后，再經(jīng)過多次熱處理所致。其他裂紋打開后，斷面上有類似現(xiàn)象。進一步放大觀察各裂紋斷面和人工斷面交界處，也未發(fā)現(xiàn)疲勞拓展特征。

圖3 沿6號裂紋打開后葉輪的斷面形貌Fig. 3 Facture morphology of impeller opened along with crack No. 6

圖4 6號裂紋斷面的微觀形貌Fig. 4 Micro morphology of fracture of crack No. 6

觀察斷面上人工打斷區(qū)的微觀形貌。沿1號裂紋打開葉片后，其人工斷面呈明顯的沿晶斷裂特征，這說明材料晶界結合力較弱。沿2號裂紋打開葉片后，其人工斷面呈明顯的“苞米粒”疏松特征。圖5為6號裂紋人工斷面的微觀形貌。由圖5可見，6號裂紋的人工斷面沿晶表面有復雜的針狀紋絡。綜合分析各裂紋人工斷面的特征，可以認為葉輪裂紋不是汽蝕和磨損所致，因此初步推測裂紋是在材料鑄造與熱處理過程中形成的。

1.2 能譜分析

利用INCAx-act型能譜儀對斷面不同區(qū)域的化學成分進行分析,結果如表1所示。結果表明：裂紋斷面上Al、Si和O元素含量較高。Al元素含量高，可能是砂鑄過程中模具表面涂抹的Al2O3混入鋼水中引起的。

圖5 6號裂紋人工斷面的微觀形貌Fig. 5 Micro morphology of artificial fracture of crack No. 6

1.3 金相分析

用Olympus BX-53M型光學顯微鏡對開裂葉輪的組織進行觀察，如圖6所示。結果表明，開裂葉輪的組織為板條狀馬氏體，材料組織內(nèi)部有許多非正常的冶金缺陷，這些缺陷為比普通的夾雜物大，中間有夾渣或小氣孔，也有第二相。

1.4 成分分析

從開裂葉輪上離裂紋較遠的部位取樣，對其化學成分進行分析。其中，采用化學法取屑分析碳和硫元素，使用Q8 magellan直讀光譜分析儀分析其他元素，結果見表2。分析結果表明，開裂葉輪中除銅元素含量略低于標準要求外，其他元素均在標準要求的范圍內(nèi)。

表1 斷面不同區(qū)域的能譜分析結果(質(zhì)量分數(shù))Tab. 1 EDS analysis results of different areas on fracture (mass fraction) %

圖6 開裂葉輪的顯微組織Fig. 6 Microstructure of cracked impeller

1.5 力學性能測試

1.5.1 拉伸性能、沖擊性能與硬度

參考GB/T 228.1-2010 標準《金屬材料 拉伸試驗 第1部分 室溫試驗方法》、GB/T 229-1994標準《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》，采用Zwick Z150型電子拉伸試驗機和ZwickRKP 450型示波沖擊試驗機測試開裂葉輪材料的室溫拉伸性能和沖擊性能，結果如表3所示。沖擊試驗選用V型槽(深2 mm)在0 ℃進行。

表3 開裂葉輪材料的抗拉性能及沖擊性能Tab. 3 Tensile properties and impact property of cracked impeller material

由表3可見，各個試樣的斷后伸長率A和沖擊吸收能均不達標。依照RCC-M M3208 規(guī)范中“每組3個試樣中只允許1個試樣的測試值低于規(guī)定的最小值”的要求，測試中2個試樣的屈服強度Rp0.2低于要求的 720 MPa，故材料的屈服強度也不達標。以上試驗結果表明，開裂葉輪材料的韌性低，脆性高。

根據(jù)GB/T 230.1-2018標準《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，從葉片上選取長條樣品，測量材料的硬度。結果表明，材料的平均硬度為40 HRC，符合標準要求(不小于28 HRC)。

1.5.2 殘余應力

使用LXRD型應力分析儀在開裂葉輪無裂紋葉片上沿垂直于根部裂紋方向，如圖7所示，進行X 射線應力測定。結果表明，4個測試點的殘余應力分別為(-616.9±18.7)，(-511.3±49.8)，(-744.4±314.4)，(-667.7±286.6)MPa，葉片根部垂直于開裂方向存在殘余壓應力。因為垂直于開裂方向的殘余應力為壓應力，所以它不是造成葉輪開裂的原因。

圖7 殘余應力的測量位置Fig. 7 Locations of residual stress measurement

1.6 失效原因分析

從裂紋形貌觀察可知，這些裂紋是斷續(xù)裂紋，不具有疲勞裂紋擴展的形貌和特征。開裂葉輪材料的化學成分和硬度符合設計要求。葉輪材料中殘余應力較大，但它在垂直于裂紋擴展方向是壓應力，因此它不是造成葉輪裂紋的原因。葉輪葉片出現(xiàn)的類裂紋主要是由于材料鑄造過程中出現(xiàn)的氣孔和疏松等冶金缺陷引起的，不是熱處理過程產(chǎn)生的。

2 制造工藝改進

2.1 鑄造工藝改進

金相分析發(fā)現(xiàn)葉輪葉片上的裂紋大部分為鑄造缺陷，此外葉輪材料內(nèi)部也存在大量的夾渣、疏松、氣孔等組織缺陷，這表明葉輪的鑄造工藝及鑄造過程可能存在問題。因此，新工藝對葉輪的鑄造工藝進行如下改進。

模型制造 新工藝采用錫鉍合金替代鋁合金，這種合金熔點低，加熱到180 ℃以上即可融化，使后續(xù)制芯過程減少了抽葉片工序，防止落砂，增加了砂芯表面質(zhì)量。

造型過程 新工藝增加隨形冷鐵設計，這種設計可以使"T型"區(qū)域提前凝固，防止熱結問題造成的后期補縮不足。

制芯過程 新工藝注重了對葉片根部圓角的修整，適當增大圓角,從而增加拐角部位金屬液的流動性，減少疏松現(xiàn)象。

合箱過程 新工藝增加了砂型、砂芯烘干過程，可去除水汽，預防氣孔缺陷。

熔煉過程 新工藝禁止使用廢鋼與回用冒口材料，提高鋼水清潔度，使鋼水出爐溫度變化控制在20 ℃以內(nèi)，更加精準。

澆注過程 新工藝采用漏包澆注，減少了進入型腔雜質(zhì)含量(舊工藝使用搖包澆注，鋼水表面雜質(zhì)易進入型腔)；另外，新工藝降低了澆注溫度，可減少鑄件的熱裂傾向性。

落砂過程 新工藝延長了鑄件保溫時間，減少殘余應力和組織不均勻性。

2.2 熱處理工藝改進

原熱處理工藝為：從室溫升溫至奧氏體化溫度1 120 ℃左右，保溫135 min后空冷；回火溫度為700 ℃，保溫時間125 min。

改進后熱處理工藝：葉輪裝爐溫度為300 ℃，升溫至1 050 ℃進行奧氏體化，水冷；一次硬化過程時，葉輪裝爐溫度為200 ℃，升溫至620 ℃保溫4 h；二次硬化時，裝爐溫度為250 ℃，升溫至620 ℃保溫4 h。

2.3 改進效果

采用改進后鑄造工藝鑄造出來的葉輪表面質(zhì)量明顯提升，葉輪根部無裂紋、穿孔等缺陷。進一步采用改進后熱處理工藝對葉輪進行熱處理。0 ℃沖擊試驗結果表明，采用原工藝熱處理后葉輪材料的沖擊吸收能為17 J，采用改進后熱處理工藝熱處理后，葉輪材料的沖擊吸收能為24 J。經(jīng)兩次回火葉輪材料的脆性得到改善，其沖擊性能明顯提高。

采用新工藝生產(chǎn)的葉輪已在現(xiàn)場安裝使用超過2 a，持續(xù)監(jiān)測結果顯示，設備運行狀態(tài)良好，抽檢時也沒有一臺出現(xiàn)問題。

3 結論

多臺核電機組的設備冷卻水泵葉輪出現(xiàn)裂紋，分析結果顯示，材料鑄造過程中出現(xiàn)的氣孔和疏松等冶金缺陷是葉輪出現(xiàn)裂紋的主要原因。通過有針對性地改進鑄造工藝及熱處理工藝，消除了設備冷卻水泵葉輪根部裂紋、穿孔等鑄造缺陷，提高了葉輪的質(zhì)量及服役性能。