核電廠反應堆冷卻劑泵電機轉子銅條的開裂原因

雒曉輝,宋 立,趙 亮,王松波

(中廣核工程有限公司設備采購與成套中心，深圳 518124)

核電廠反應堆冷卻劑泵(簡稱“主泵”)，位于一回路反應堆與蒸汽發生器之間，是反應堆冷卻劑系統的壓力邊界和關鍵設備之一，也是一回路主系統中唯一高速旋轉的設備，主要作用是驅動反應堆一回路的冷卻介質。在核電站正常功率運行期間，主泵正常運行導出堆芯熱量并輸送至蒸汽發生器傳給二次側[1]。核電廠反應堆冷卻劑泵電機的質量直接關乎核主泵的運行可靠性與安全性，對反應堆一回路承壓邊界完整性起著關鍵作用，而轉子銅條作為電機轉子的核心部件之一，其質量控制的要求極為嚴格。

在某核電廠主泵電機轉子制造過程中，發現飛輪端方向轉子銅條存在一處橫向裂紋。圖1為該核電廠主泵示意圖。該主泵電機為10 kV異步、自通風式立式鼠籠型三相感應式電動機。電機不僅為主泵提供驅動力，且具有較大的轉動慣量，以保證斷電時具備足夠惰轉能力，使堆芯繼續得到冷卻直至余熱排出泵投運[2]。轉子銅條作為電機轉子的核心部件之一，需具有合適的力學性能，良好的導電性能，以保證 60 a的設計壽命。電機轉子銅條的加工、裝配精度高，需對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、時效處理等工藝過程進行嚴格控制[3]。主泵電機轉子銅條如圖2所示。

圖1 主泵示意圖

(a) 轉子裝配

本工作對該存在裂紋的轉子銅條進行了裂紋宏觀形貌觀察，材料化學成分和力學性能測試，金相分析等一系列的理化檢驗，并結合其生產工藝分析了裂紋產生的原因，為類似設備的裂紋檢查與預防提供了參考與借鑒。

1 理化檢驗與結果

1.1 裂紋宏觀形貌觀察

通過液體滲透檢查，觀察轉子銅條的裂紋形貌，如圖3所示。由圖3可見，裂紋窄側面約5.6 mm，寬側面約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

轉子銅條的材料為鋁青銅QAl9-4，其化學成分(質量分數)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和化學成分標準》要求。對試樣進行力學性能測試和纖維硬度測試，結果見表1。其中，布氏硬度為166～176 HB，平均值約170 HB，硬度較為均勻，測試結果滿足技術要求。

表1 鋁青銅QAl9-4的性能指標與測試結果

1.3 斷面分析

1.3.1 斷面宏觀形貌

從轉子銅條裂紋處切割取樣，對裂紋斷面進行觀察，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，裂紋起源于銅條側面表層，可見擴展花紋，裂紋從中部沿板厚中線分為兩部分擴展，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擠制環節溫度約1 200 ℃，為高溫有氧環境，存在產生高溫氧化的可能。此外，斷面上出現皺紋形貌，且上下貫穿，說明裂紋在鋁青銅扁棒拉制工序之前產生，而不是在拉制過程中產生，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型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)對裂紋斷面進行觀察，結果如圖5所示。由圖5可見：裂紋起源于側面表層，裂紋斷面未發現裂紋分叉與腐蝕痕跡，開裂區域與基體組織未見異常，均為孿生組織；在斷裂源區，可見裂紋沿晶擴展，呈明顯的二次沿晶斷裂特征；在棱邊區，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) 裂紋源區形貌 (c) 棱邊區形貌

采用X射線能譜儀對轉子銅條裂紋源區及轉子銅條中心區進行能譜分析，結果如圖6所示。由圖6可見：裂紋源區除銅及鋁元素外，還含有氧元素，而中心區無氧元素，這說明在裂紋形成過程銅條發生了一定程度的高溫氧化，使裂紋斷面區引入了氧元素，因此銅條是在高溫下發生開裂的。

(a) 裂紋源區 (b) 中心區

1.4 金相分析

沿垂直于轉子銅條表面裂紋截取金相試樣，經磨制、拋光及FeCl3鹽酸溶液浸蝕后對其進行金相分析，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，裂紋沿晶擴展，裂紋附近可見較多小裂口，材料基體組織為α相條狀、點狀共析體[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，結果如圖8所示。由圖8可見，鋁青銅材料的晶粒均勻細小，晶粒尺寸在0.03 mm左右，中心處和裂紋邊緣處均沒有發現夾雜物與氧化物，裂紋斷面上無腐蝕痕跡，因此其受腐蝕介質影響而產生裂紋的可能性較小。

(a) 裂紋頭部

(a) 中心位置

根據脆性斷裂理論，金屬發生脆性斷裂時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，還需為擴展過程中裂紋尖端區薄層的塑性變形提供能量。根據Griffith斷裂理論，如式(1)所示，裂紋擴展時材料抗力取決于彈性表面能與裂紋擴展塑性變形能之和[10]。

(1)

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

基于此理論，可以認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的塑性變形和形變強化特性，其值大小對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，則裂紋擴展即將被終止。因此，當銅條產生初始裂紋后，在銅條拉制過程中由于受拉應力等因素影響，裂紋得到進一步擴展。

2 失效原因分析

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

轉子銅條的擠壓過程是其制造的關鍵過程，鍛壓摺疊、心部裂紋或表面裂紋對擠壓溫度、擠壓速率、保溫時間等參數均有較高的敏感性，過高的溫度會導致過熱、過燒。因此，選擇合適的參數才能獲得細小均勻的晶粒組織。在轉子銅條的擠壓過程中，由于擠壓速率參數設置偏大，導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生高溫擠壓裂紋。產生的初始裂紋在后續的拉制過程中受拉應力影響而進一步擴展。

針對轉子銅條裂紋產生的原因，從以下兩個方面對其進行改進。一是優化轉子銅條擠壓速率，將擠壓速率降低約10%，以減少擠壓裂紋的產生。二是在加工制造與成品驗收階段，加強質量檢驗，通過無損檢驗(如液體滲透、超聲波檢驗)手段使難以消除的微裂紋能夠及時被發現與評估。結合上述建議，優化后的轉子銅條如圖9所示。經檢驗，未在優化后的轉子銅條上發現裂紋缺陷，銅條的質量得到了大幅提升。

圖9 采用優化工藝制造的轉子銅條

3 結論與建議

通過分析主泵電機轉子銅條的化學成分、力學性能、斷口形貌、顯微組織等可知，轉子銅條產生裂紋的根本原因是在鋁青銅型材成型環節的擠壓變形過程中，力和溫度的共同作用使其發生沿晶開裂。針對轉子銅條產生裂紋的根本原因，從銅條擠壓參數優化及無損檢查方面提出了具體的改進措施，明確了擠壓速率降低的定量指標。經檢查，優化后的銅條無明顯裂紋缺陷，使主泵電機轉子銅條的產品性能得到了進一步提升。