非能動核電站主泵泵殼鑄件改鍛件可行性分析

□ 顏 妍

上海核工程研究設計院有限公司 上海 200233

1 主泵概況

反應堆冷卻劑主泵是壓水反應堆冷卻劑壓力邊界的一個組成部分,用于循環高溫高壓的反應堆冷卻劑,進而冷卻和提取壓水堆芯部熱量。熱量通過一回路經由主管道和傳熱管傳遞至二回路,使二次側給水汽化,成為驅動常規島汽輪機發電的干飽和蒸汽。反應堆冷卻劑主泵是壓水堆核電機組最關鍵的主設備之一,被形象地稱為反應堆的心臟[1]。

百萬千瓦級三代非能動核電站主泵為立式、單極、無軸封、高慣量離心泵,主泵機組的所有轉動部件均包含在同一個承壓邊界內。反應堆冷卻劑從蒸汽發生器的下封頭自上而下流入主泵,沿軸向吸入泵的主葉輪流動,經導葉和泵的出口管嘴流入主管道冷段[2]。蒸汽發生器下封頭兩個出口管嘴各連接一臺主泵,主泵與蒸汽發生器連成一體,并由蒸汽發生器支撐。采用這種設計,在必要時可以從泵殼上拆卸主泵的內部組件,以便檢查軸承和其它內部部件。主泵進口管嘴與蒸汽發生器下封頭焊為一體,可消除回路管道的過渡段,減小一回路壓降,簡化蒸汽發生器、主泵和管道支撐系統,在小破口失水事故期間降低堆芯裸露的可能性。在電廠現場,主泵出口管嘴與冷段管道對接,并焊為一體。

國內自主研發的非能動核電站主泵設計參數見表1。主泵設計有兩種方案:屏蔽電機主泵和濕繞組電機主泵。其中,濕繞組電機主泵已完成研制,以國和一號為代表,屏蔽電機主泵尚處于研制階段。

表1 主泵設計參數

2 泵殼材料和焊縫質量檢測

在主泵研制中,屏蔽電機主泵泵殼采用A 351 CF8A奧氏體不銹鋼鑄件,濕繞組電機主泵泵殼采用A 508M Grade 3 Class 2低合金鋼鍛件,全內壁堆焊厚度為5～7 mm的不銹鋼耐蝕層。無論采用哪種材料,考慮到主泵進口管嘴與蒸汽發生器出口管嘴焊縫的重要性和復雜性,設計方都要求焊縫質量檢測必須使用無損檢測技術,在不破壞被檢測設備物理與力學性能的前提下,對被檢測設備的表面及內在缺陷進行有效判別[3],同時規定了超聲檢測、液體滲透檢測、射線檢測的方法和質量驗收標準。主泵泵殼與蒸汽發生器出口管嘴、冷段管道的接口如圖1所示。

圖1 主泵泵殼與蒸汽發生器出口管嘴、冷段管道接口

在設備制造過程中,主泵泵殼由泵殼制造單位投料制造,制造完成后供給主泵制造單位加工,再交貨到蒸汽發生器制造單位進行主泵泵殼進口管嘴與蒸汽發生器出口管嘴的焊接。為確保焊縫質量,在泵殼收貨時,蒸汽發生器制造單位會預先對待焊區域及熱影響區進行無損檢測,按照無損檢測技術要求進行驗收。

3 泵殼鑄件無損檢測

在實際產品驗收過程中發現,經泵殼制造單位無損檢驗合格的泵殼鑄件,發往蒸汽發生器制造單位后,在入廠無損檢驗時發現有多處超標缺陷。某主泵泵殼鑄件在蒸汽發生器制造單位入廠檢驗時,對進口管嘴端面及距端面13 mm范圍熱影響區域進行液體滲透檢測、射線檢測,檢測結果見表2,液體滲透檢測顯示情況如圖2所示。

表2 主泵泵殼鑄件檢測結果

圖2 主泵泵殼鑄件液體滲透檢測顯示情況

這些缺陷可能由于多方面因素導致,如不同階段檢驗技術要求的差異、不同階段所使用的滲透檢驗試劑靈敏度和射線檢測射線源特性差異等,并且不能排除由不同單位無損檢驗能力水平不同引起。

主泵泵殼進出口管嘴及主法蘭處等多個部位在多個階段無損檢測都發現超標缺陷,說明主泵泵殼的制造工藝有待進一步改進。受限于鑄造工藝的局限性及零部件結構的復雜性,鑄件難免會產生氣孔、針孔、縮孔、尺寸不良等缺陷,報廢率較高,損失較大,更為重要的是鑄件產品的強度達不到要求[4]。從提高材料各方面性能,避免缺陷產生的角度出發,應該對主泵泵殼制造工藝進行優化。改主泵泵殼鑄件為鍛件,材料鍛造能充分打碎鋼錠原始鑄態組織,鍛合鋼錠中的疏松、氣孔等缺陷[5],優化微觀組織結構。另一方面,由于保存了完整的金屬流線,鍛件的機械性能一般優于同樣材料鑄件的機械性能。由此,對主泵泵殼鑄件改鍛件進行可行性分析,是非常有必要的。

4 工藝對比

鑄造生產通常指采用熔融合金材料澆鑄制造產品,具體方法為將液態合金注入預先制備好的鑄型中,冷卻、凝固,從而獲得毛坯或零件[6]。鑄件因近乎成形,可以達到免機械加工或少量加工的目的,降低了成本,并在一定程度上縮短了制造時間[7-8]。典型鑄件制造工藝如圖3所示。

圖3 典型鑄件制造工藝

鍛造指在加工設備及工具、模具的作用下,使金屬坯料產生局部或全部塑性變形,獲得具有一定幾何尺寸、形狀、質量、力學性能的鍛件。典型鍛件制造工藝如圖4所示。

圖4 典型鍛件制造工藝

對鑄造工藝與鍛造工藝的優缺點進行比較。

鑄造工藝的優點如下:① 可以生產形狀復雜的零件,尤其是復雜內腔的毛坯;② 制造過程簡單,一個鑄件只需一次澆鑄,就可得到整體鑄件,形狀尺寸與零件非常接近,減小了切削量,屬于無切削加工;③ 可以大量生產,同一個模型能夠生產一定批次的相同鑄件,并且可以用自動化設備進行生產;④ 原材料來源廣,價格低廉,如廢鋼、廢件、切屑等;⑤ 適應性廣,工業常用的金屬材料均可鑄造,質量范圍可從幾克到幾百噸;⑥ 應用廣泛,農業機械設備中總質量的40%～70%、機床設備中總質量的70%～80%都是鑄件。

鑄造工藝的缺點如下:① 鑄件組織不夠精密,品質較難穩定控制,存在縮孔、氣孔、渣、裂紋等缺陷,晶粒粗細不均,力學性能較差,耐沖擊能力較低;② 鑄件表面粗糙,尺寸精密度較差,受限于鑄件表面作用、凝固熱應力、凝固收縮等的影響和制約,控制難度很大;③ 鑄造生產工藝較多,工藝過程控制煩瑣,鑄件報廢率高。

鍛造工藝的優點如下:① 通過鍛造能消除金屬在冶煉過程中產生的鑄態疏松等缺陷,優化微觀組織結構,由于保存了完整的金屬流線,鍛件的機械性能一般優于同樣材料的鑄件;② 相關機械中負載高、工作條件嚴峻的重要零件,除形狀較簡單的可用軋制板材、型材或焊接件外,一般多采用鍛件。

鍛造工藝的缺點如下:① 鍛件通常采用實心鍛制,材料、機加工成本高,如某鍛件廠蒸汽發生器水室封頭的毛坯質量約為270 t,零件最終交貨質量約為40 t;② 鍛制設備成本相比鑄造設備更高;③ 鍛件模具成本相比鑄件模具更高。

5 主泵泵殼鍛件工藝流程

濕繞組電機主泵泵殼鍛件制造工藝流程如下:冶煉、鍛造、鍛后熱處理、半粗加工、超聲檢測、探傷粗加工、超聲檢測、粗加工、性能熱處理、取樣、模擬焊后熱處理、試驗、半精加工、超聲檢測、最終機加工、成品檢驗、添加標志、清潔、包裝、發運。試驗包括力學性能試驗、金相檢測、成品分析,半精加工同時分割出留樣試塊與買方復驗料,成品檢驗包括目視檢查、尺寸檢查、磁粉檢測。

6 主泵泵殼鍛件與蒸汽發生器出口管嘴焊接

濕澆組電機主泵泵殼鍛件在發運至蒸汽發生器制造單位后,針對待焊區域進行無損檢測,滿足驗收要求。然后對主泵泵殼進口管嘴進行預堆邊,再與蒸汽發生器出口管嘴進行焊接,各階段的無損檢測均未出現問題。主泵泵殼鍛件與蒸汽發生器出口管嘴焊接的工藝流程如下:鍛件內壁不銹鋼堆焊,進爐熱處理,堆焊層機加工,液體滲透檢測、超聲檢測、射線檢測,管嘴預堆邊,液體滲透檢測、超聲檢測、射線檢測,進爐熱處理,液體滲透檢測、超聲檢測、射線檢測,預堆邊機加工,出口安全端等裝焊,液體滲透檢測、超聲檢測、射線檢測,泵殼水壓試驗,泵殼管嘴最終機加工,液體滲透檢測,與蒸汽發生器出口管嘴進行對接焊,液體滲透檢測、超聲檢測、射線檢測。

主泵泵殼鍛件與蒸汽發生器出口管嘴對接工位和坡口分別如圖5、圖6所示。

圖5 主泵泵殼鍛件與蒸汽發生器出口管嘴對接工位

圖6 主泵泵殼鍛件與蒸汽發生器出口管嘴對接坡口

主泵泵殼鍛件與蒸汽發生器完成對接后,發往現場安裝,并與主管道對接。對主泵泵殼鍛件出口接管與主管道的焊縫進行無損檢測,結果良好,未出現問題。

從上述濕繞組電機主泵泵殼鍛件的研制和與蒸汽發生器、主管道對接的情況來看,濕繞組電機主泵泵殼采用鍛造工藝,技術上可行,從與蒸汽發生器焊接質量角度考慮,質量更為可控。

屏蔽電機主泵和濕繞組電機主泵的泵殼形狀相差不大,材質分別為A 351 CF8A奧氏體不銹鋼、A 508M Grade 3 Class 2低合金鋼,通過濕繞組電機主泵泵殼鍛件的試制,筆者認為屏蔽電機主泵泵殼由鑄件改為鍛件也是可行的。目前,國內已有廠家完成了百萬千瓦級核電泵殼鍛件局部模鍛成型工藝技術的研發[9],實現了泵殼從自由鍛造向全纖維近凈成形鍛造的跨越。百萬千瓦級核電泵殼模鍛鍛件鍛造過程如圖7所示。

圖7 百萬千瓦級核電泵殼模鍛鍛件鍛造過程

7 鍛造經濟性分析

與傳統發電行業相比,核電建設工程在設計、采購、建造、調試等各個環節都要接受國家核安全監管部門的嚴格監管,國內核電產業發電成本較高,核電建設工程的經濟性需要從工程設計、裝備制造、建造安裝、運營管理等方面進行提高。將非能動核電站主泵泵殼由鑄件改為鍛件,在技術可行的基礎上,還應對經濟性進行分析。

對經濟性分析,需要全面考慮生產過程的總成本,包括設計試驗費、材料費、毛坯加工費、切削加工費、使用維修費、管理費等。其中,主泵泵殼的材料費、加工費、維修費占比較大。在各種毛坯零件中,鑄件的金屬利用率最高,達90%～92%,而模鍛件僅為55%～75%,自由鍛件僅為33%～47%,鑄件在材料費、加工費方面的經濟性占優。但是,鑄件的組織粗大,力學性能較差,鍛件的組織致密,晶粒細小,力學性能好。從主泵泵殼鑄件現狀看,后期維修費和管理費投入巨大,甚至超越了材料費的比重,給主泵泵殼鑄件的經濟性帶來了考驗。同時,先進模鍛工藝的研發成功,也能有效降低主泵泵殼鍛件的制造成本。

考慮生產廠家的機械化程度,大批量生產的零件采用機械化和自動化毛坯生產方式,可以提高生產率,并提高經濟效益。鑄造易于實現批量生產,所以在成本上有一定優勢。但是主泵泵殼屬于單件小批量生產,綜合考慮后期焊接和返修風險及成本,主泵泵殼鍛件的經濟性并不劣于鑄件。從制造工期的角度看,主泵泵殼鍛件還略占優勢。

主泵泵殼鑄件若在預堆邊、與蒸汽發生器對接前后、與主管道對接前后的任意一個環節無損檢測出現問題,都需要進行返修補焊,將面臨非常嚴格的質保監管壓力,整個返修方案、返修過程要接受工程總包方、電廠運營單位,甚至國家核安全主管部門的審批和監督,有可能延長工程建設工期,給電廠按期商運帶來非常大的潛在風險。如果發生工期延誤,財務費用的增加將給核電工程帶來額外負擔。因此,從全廠總承包的成本費用風險控制角度考慮,主泵泵殼由鑄件改鍛件是更經濟的選擇。

8 結束語

國和一號濕繞組電機主泵已完成研制,主泵泵殼已實現鍛造加工。屏蔽電機主泵泵殼鍛件的模鍛技術也已在研發中。將反應堆冷卻劑主泵泵殼由鑄件改為鍛件,可使材料性能更加穩定,更有利于后續與蒸汽發生器對接的焊接質量,經濟性上也具備優勢。由此可見,主泵泵殼由鑄件改鍛件是可行的,將來也勢在必行。