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，發現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，液體蒸發產生很多小氣泡，使流道壓力變化[1]，產生沖擊和振動[2]，導致葉輪損傷，出現裂紋。高溫蒸氣還會造成金屬泵體和葉輪發生化學腐蝕，形成蜂窩狀形貌。汽蝕導致葉輪質量變化,產生共振[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，分析了葉輪產生裂紋的原因，據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域(人工斷面)和裂紋區域(裂紋斷面)；裂紋區域為灰黑色，并夾雜部分黃色，呈現明顯的氧化特征，無斷裂特征，為典型的鑄造缺陷，據此可認為各處裂紋是在鑄造階段產生的。在黑色的裂紋區域邊界未觀察到疲勞拓展區，這說明在運行過程中，裂紋尚未發生拓展。

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，且呈現多層特征，根據葉輪制造工藝，該特征可能是鑄造裂紋產生后，再經過多次熱處理所致。其他裂紋打開后，斷面上有類似現象。進一步放大觀察各裂紋斷面和人工斷面交界處，也未發現疲勞拓展特征。

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。

表1 斷面不同區域的能譜分析結果(質量分數)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 規范中“每組3個試樣中只允許1個試樣的測試值低于規定的最小值”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。葉輪葉片出現的類裂紋主要是由于材料鑄造過程中出現的氣孔和疏松等冶金缺陷引起的，不是熱處理過程產生的。

2 制造工藝改進

2.1 鑄造工藝改進

金相分析發現葉輪葉片上的裂紋大部分為鑄造缺陷，此外葉輪材料內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，使后續制芯過程減少了抽葉片工序，防止落砂，增加了砂芯表面質量。

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，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含量(舊工藝使用搖包澆注，鋼水表面雜質易進入型腔)；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。

采用新工藝生產的葉輪已在現場安裝使用超過2 a，持續監測結果顯示，設備運行狀態良好，抽檢時也沒有一臺出現問題。

3 結論

多臺核電機組的設備冷卻水泵葉輪出現裂紋，分析結果顯示，材料鑄造過程中出現的氣孔和疏松等冶金缺陷是葉輪出現裂紋的主要原因。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，提高了葉輪的質量及服役性能。