王 巖，馬 寧

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116001)

1 問題描述

設備冷卻水泵(RRI00*PO)為國內某泵廠A生產的HB-400-560型懸臂式臥式單級離心泵，其主要功能是為核島內各用戶提供冷卻水[1]。國內多家核電廠相繼發(fā)現泵廠A產RRI設備冷卻水泵葉輪存在裂紋缺陷，最長裂紋達30 mm，同時對泵廠產未使用的葉輪備件進行PT檢查，同樣存在裂紋缺陷，對同型號的B泵廠產葉輪備件進行PT檢查，無異常。

圖1 葉輪裂紋PT線性顯示

2 原因分析

針對A泵廠產RRI設備冷卻水泵葉輪裂紋問題，制定了根本原因分析方案，首先選取開裂葉輪進行金屬學鑒定分析，確認裂紋及其他缺陷性質，其次調查葉輪的選材與結構設計是否符合規(guī)范要求，最后對葉輪的制造過程，包括鑄造、加工、熱處理、檢查檢驗等進行調查分析，同時結合泵歷史運行參數，多維度全方位進行了根本原因分析。

2.1 金屬學分析

金屬學分析包括：樣品外觀檢查、斷口形貌分析、金相組織分析、化學成分分析、殘余應力測試、氫含量測試、硬度試驗、力學性能分析及綜合分析等。

2.1.1 形貌分析

對Y4RRI003PO葉輪進行宏觀和微觀分析，如圖2所示，其中1、2、3、4位置為葉片根部與蓋板“T型”交角處裂紋，5位置為穿孔，6位置為葉片背部發(fā)現的未融合缺陷，7位置是葉片根部與蓋板交角裂紋。

圖2 裂紋宏觀顯示

將裂紋打開后利用體式鏡進行觀察，如圖3所示，發(fā)現裂紋端面表面均為灰黑色，夾雜部分黃色區(qū)域，呈現明顯的氧化特征，無斷裂特征，符合鑄造熱裂紋特點，初步認為裂紋在鑄造階段產生[2]。

圖3 裂紋微觀顯示

利用掃描電鏡(SEM)進行觀察，二次電子圖像如圖4所示。幾個裂紋斷面均無明顯斷裂特征?？梢钥吹捷^厚的氧化層，且呈現“多層”特征，根據葉輪制造工藝，該特征可能是鑄造熱裂紋產生后，再經過多次熱處理所致。

圖4 掃描電鏡(SEM)顯示

觀察1、2、6號裂紋斷面區(qū)和打斷區(qū)交界，未發(fā)現疲勞拓展特征。

觀察各裂紋打斷區(qū)，1號裂紋打斷區(qū)域可見明顯的沿晶斷裂特征，證明材料晶界結合力較弱。2號裂紋打斷區(qū)發(fā)現明顯的“苞米?！笔杷商卣?。6號裂紋打斷區(qū)沿晶表面發(fā)現復雜的針狀紋絡[2]。綜合分析各裂紋打斷區(qū)域特征，推斷材料鑄造與熱處理過程存在問題。

2.1.2 金相分析

通過金相分析，如圖5，材料的金相組織為板條狀馬氏體，發(fā)現材料內部有許多冶金缺陷，這些缺陷比普通的夾雜物大，其中有夾渣或小氣孔，也有第二相。

圖5 金相顯示

2.1.3 晶界敏化分析

通過敏化試驗，發(fā)現晶界都有明顯敏化，證明晶界薄弱，如圖6，材料熱處理過程可能存在問題。

圖6 敏化試驗

2.1.4 化學成分分析

對材料進行化學成分分析，如表1所示，結果表明，除Cu元素略低于標準要求外，其他元素均在標準要求的范圍內。

表1 化學成分

2.1.5 材料的力學性能檢驗

材料的拉伸、沖擊、硬度是按照GB/T 228，GB/T 229，以及GB/T 230.1規(guī)定的相應標準取樣和試驗。

2.1.5.1 抗拉強度及沖擊性能

利用德國Zwick Z150電子拉伸試驗機和德國ZwickRKP 450示波沖擊試驗機測試葉輪材料的室溫拉伸和沖擊性能，結果見表2所示。

表2 拉伸強度及沖擊性能

各個試樣的斷后延伸率和沖擊吸收功均不達標。依照 RCC-MM3208標準中“每組3個樣品中只允許1個低于規(guī)定的最小值”的要求，兩個屈服強度值低于要求的720 MPa，故屈服強度也不達標。

2.1.5.2 硬度測量

選取5個位置進行硬度測量，結果見表3，測量結果在36～39 HRC之間，符合標準要求。

表3 硬度測量表

2.1.6 殘余應力測試

對葉輪未開裂葉片進行殘余應力測試，結果如表4所示，葉片根部垂直與“開裂”方向均為殘余壓應力，可以減弱裂紋拓展。結合葉片制造工藝分析，殘余壓應力可能是在噴砂去熱處理氧化皮過程中產生。

表4 殘余應力表

通過以上金屬學分析，宏觀觀察到的試驗葉輪裂紋，均為鑄造缺陷，裂紋未發(fā)現疲勞拓展，葉輪裂紋等缺陷與殘余應力無關， 葉輪存在較多鑄造缺陷，證明鑄造過程存在問題，葉輪力學性能不達標，鑄件熱處理工藝可能存在問題。

2.2 設計校核分析

2.2.1 材料選型分析

A泵廠產RRI泵葉輪選用法國牌號Z6CNU17-04馬氏體不銹鋼，遵循RCC-M M3208“承壓部件”標準。但葉輪為非承壓部件，RCC-M中推薦的用作葉輪材料的馬氏體不銹鋼為Z5CND13-04和Z5CN12-01兩個牌號。Z6CNU17-04屬于高合金鋼，相比Z5CND13-04和Z5CN12-01各元素含量均有較大差異，Cr元素提高，改善了材料的耐蝕性，并且增加了Cu、Ta+Nb、N等強化元素。Z6CNU17-04牌號合金抗拉強度、硬度較高，但耐沖擊性能和塑性低于另外兩個合金。

分析A泵廠RRI泵選擇Z6CNU17-04的影響，這種材料硬度高、韌性相比RCC-M推薦葉輪材料低，可能易受殘余應力影響，但金屬學分析已證明本次葉輪開裂問題主要是鑄造缺陷，與材質本身力學特性無關。對比調查B泵廠RRI泵葉輪，該泵廠同樣采用Z6CNU17-04馬氏體不銹鋼，多次拆卸檢查葉輪并未有葉輪開裂現象反饋。綜上所述，本次A泵廠RRI泵開裂問題，并非因選材問題引起。

2.2.2 葉輪強度設計分析

利用有限元分析技術對葉輪原始設計強度進行計算，同時考慮離心力與流體壓力，計算結果見表5。Z6CNU17-04材料許用應力為225 MPa，各種工況下葉輪最大應力、葉輪葉片與前蓋板“T”型角處應力均小于材料許用應力。所以，葉輪設計強度滿足要求。

表5 強度計算表

2.2.3 葉輪尺寸設計分析

葉輪現有結構強度設計滿足要求，但葉輪結構不僅影響葉輪強度，還影響葉輪鑄造過程。最重要的兩個因素為葉片厚度和葉片與蓋板間夾角設計。

RRI泵葉輪葉片厚度設計主要考慮泵的汽蝕特性，減薄葉片的進口邊是改善葉輪汽蝕性能的手段之一，葉片厚度按流線長度給定，最大厚度在離進口為葉片全長的1/3～1/2處，進、出口部分應盡量減薄。但葉片減薄其鑄造難度就會增加。

根據JB/T6879—2008《離心泵鑄件過流部位尺寸公差》3.5節(jié)中要求，葉輪的葉片厚度鑄鋼件不應小于4 mm。目前A泵廠RRI泵進口邊緣厚度設計值為5 mm，實測值為4.2 mm左右(鑄造后去氧化皮)，接近標準要求限值。但對比B泵廠RRI泵葉輪葉片，其邊緣厚度設計值也為5 mm。所以，可認為此次葉輪鑄造缺陷與葉片厚度設計無關。

葉片與蓋板間倒角情況，實際測量值R約為3.5 mm。RRI泵葉輪技術要求中“未注鑄造圓角 R4～R6”。倒角小，泵體水力性能好，但會增加鑄造難度。實際鑄造倒角小于設計值，證明鑄造過程控制需要優(yōu)化。

通過對葉輪選材設計及結構設計分析可知，HB-400-560型RRI泵葉輪強度裕度較大，設計時特別考慮了抗汽蝕性能，設計因素并非是產生葉輪裂紋問題的原因。但葉輪設計會影響材料鑄造性能，所以后續(xù)改進時也可以考慮從設計上進行優(yōu)化。

2.3 制造工藝及過程分析

2.3.1 鑄造工藝及過程調查分析

金屬學試驗分析發(fā)現RRI泵葉輪葉片上的裂紋大部分為鑄造缺陷，此外葉輪內部也存在大量的夾渣、縮松等缺陷。表明鑄造工藝及鑄造過程存在問題。

1)鑄造工藝分析

A泵廠RRI泵采用砂鑄工藝，傳統(tǒng)的砂鑄工藝生產的葉輪表面質量不高，工藝參數設計不當更易產生較多的鑄造缺陷。對比B泵廠RRI泵葉輪，其采用精鑄工藝，過程復雜，但葉輪表面質量高，鑄造缺陷少。

A泵廠反饋，2014年以前葉輪各工序采用舊鑄造工藝生產，2014年后，各工序鑄造工藝已優(yōu)化。而13個爐批次材料均為2014年以前生產。

2)鑄造過程控制分析

根據新工藝要求，熔煉過程禁止采用廢鋼及回用澆冒口進行熔煉。據反饋，A泵廠已加強控制，現場不再使用臟料、廢料等，保證原材料清潔度。

對比分析可知，以往現場存在原料管控不嚴的可能，影響鋼水純凈度。

2.3.2 熱處理工藝及過程分析

金屬學分析發(fā)現葉輪力學性能不足，缺陷附近存在沿晶斷裂特征，金相組織不均勻，證明葉輪熱處理存在問題。

1)熱處理工藝分析

調取A泵廠產葉輪制造完工報告[3]。葉輪經過淬火+回火過程。從室溫升溫，奧氏體化溫度在1120 ℃左右，保溫時間2.25 h，空冷，回火溫度700 ℃，保溫時間2 h5 min。葉輪經過補焊后會再次重復相同熱處理過程。

調取B泵廠產葉輪制造完工報告[4]。葉輪同樣使用淬火+回火工藝。但熱處理工藝更加復雜，葉輪裝爐溫度為300 ℃，升溫至1050 ℃進行奧氏體化，水冷。一次硬化過程葉輪裝爐溫度為200 ℃，升溫至620 ℃，保溫4 h。二次硬化裝爐溫度250 ℃，升溫至620 ℃，保溫4 h。葉輪經過補焊后會再次重復相同熱處理過程。

根據制造完工報告，B泵廠RRI泵葉輪延伸率與沖擊功明顯好于A泵廠RRI泵。根據RCC-M 2000版+2002補遺，Z6CNU17-04需回火1-2次。綜合對比可知，B泵廠葉輪熱處理時間更長，過程更加充分，材料組織更加均勻，所以力學性能更好。

通過對比分析，A泵廠目前熱處理工藝需要重新評定。

2)熱處理過程分析

目前力學試驗分析發(fā)現，力學性能不達標，與制造完工報告中試棒力學性能不一致。

RCC-M 2000版+2002 M3208要求，試樣可取自相連或是同爐鋼水單澆試件，但需要一起熱處理。調查發(fā)現，試棒同葉輪共同熱處理后，對試棒再次單獨進行模擬去應力退火，加熱至610 ℃，保溫4.2 h，從加熱溫度和保溫時間推測，這可能是導致試棒與葉輪力學性能存在偏差的原因之一。另外，力學試驗試樣取自輪轂，而試棒為單獨澆注，二者之間本身會存在一定差異。

結合葉輪鑄造分析，葉輪力學性能差可能是內部缺陷較多，疊加熱處理不夠充分導致。本次A泵廠RRI泵開裂事件，主要由鑄造缺陷造成，熱處理不足導致的葉輪力學性能差，屬于分析過程中發(fā)現的其他問題，不是本次事件原因，但需要同步關注改進。

通過對葉輪鑄造工藝、熱處理工藝及其過程分析可知，葉輪的整個制造過程，包括工藝設計及實際控制均存在不同程度的不足。

3 處理措施

針對RRI泵葉輪裂紋缺陷金屬學、設計校核、制造工藝及過程等三方面原因分析，可以確定導致葉輪裂紋的根本原因在于鑄造工藝及鑄造的過程控制存在不足，對此，A泵廠對原有的鑄造工藝進行了改進，同時加強了鑄造過程中的質量控制。首先，將原砂鑄工藝改進為精鑄工藝，避免了砂鑄工藝帶來的葉輪表面質量不高，工藝參數設計不當產生的較多鑄造缺陷，相比而言，采用精鑄工藝，雖過程復雜，但葉輪表面質量高，鑄造缺陷少。具體工藝對比見表6。

表6 葉輪制造新舊工藝對照表

續(xù)表6

其次，對鑄造的過程控制及質量控制進行了改進，根據新工藝要求，熔煉過程禁止采用廢鋼及回用澆冒口進行熔煉，不再使用臟料、廢料等，保證原材料的清潔度。同時在葉輪出廠前，嚴格按照PT檢測標準進行相關探傷檢測，提高了葉輪的驗收質量。

通過以上兩方面的改進與優(yōu)化，目前，A泵廠產葉輪解決了裂紋問題，核電現場用RRI泵運行正常，大修解體進行葉輪PT探傷檢測，未出現葉輪裂紋問題。

4 結束語

通過對RRI泵葉輪裂紋的原因分析，得出了葉輪裂紋的根本原因為葉輪鑄造工藝設計及過程控制存在不足，直接原因為葉輪制造缺陷，促成因素為葉輪檢查檢驗存在不足，此工作不僅解決了RRI泵葉輪裂紋問題，同時對其他泵葉輪的排查工作有著極好的借鑒意義，保障了設備安全可靠運行，同時為機組的安全穩(wěn)定運行打下堅實的基礎。