核电厂给水泵叶片断裂分析处理及改进研究.pdf
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1、2023年第5期25小原权术核电厂给水泵叶片断裂分析处理及改进研究黄声铭许德忠张龙曾印平(中广核核电运营有限公司,广东深圳518124)摘要:为解决某核电厂给水泵叶片断裂及裂纹问题,通过材质成份、力学性能、金相组织、叶片厚度等对比分析,认为主因是叶片出口处厚度不足叠加铸造缺陷,导致叶片在出口应力集中处疲劳断裂。提出有条件的补焊修复作为临时方案,增加叶片厚度、打磨叶轮流道、加强无损检测等措施的落实作为长期方案,改进型叶轮已成功应用并通过了验证。文中所述分析过程及论证方法,为类似问题处理提供参考。关键词:核电站用泵给水泵断裂叶片厚度参数对比估算中图分类号:TH311文献标识码:A在核电机组中,给水
2、泵属于关键的辅机设备,时刻满足蒸汽发生器对给水流量的需求,对核电厂的安全运行具有重要作用。电动给水泵组由前置泵、电动机、液力耦合器以及压力级泵串联布置而成,设备种类多,其总体可靠性并不理想。前置泵主要功能为压力级泵提供足够压头,特点为口径大、流量高,其流道狭长、结构复杂,叶轮常规采用铸造成型方法。由于供货厂家的不同,所采用的铸造种类及工艺也不尽相同,加上不同厂家所设计的叶轮结构和强度裕量存在较大偏差,日常运维也偶发叶轮缺陷或故障。1设备异常描述对某前置泵进行解体检查,发现叶轮其中一个叶片出口处断裂缺失,缺口大小约8 3 mm84mm,其断裂位置和形貌如图1所示。扩检其他几台前置泵,对叶轮盖板和
3、叶片出口处等可达部位进行渗透图1叶片断裂位置和形貌图检验(PT),发现另外3 台泵叶片出口处均存在不同程度裂纹或线性显示,其裂纹位置和形貌如图2所示。由于多叶轮同一位置均出现类似缺陷,分析叶轮存在共模故障,对叶轮断裂问题开展原因分析并采取应对措施,以提高设备可靠性。2断裂成因分析2.1化学成份检验查询前置泵设备运维手册,该叶轮材质所标示为德国钢铁牌号1.43 17+QT2,参考BSEN1028320101),其主要成份为CX4CrNi134(Q T 2),相当于GB/T696720092中的ZG06Cr13Ni4Mo(HT 2)。对断裂叶轮进行取样化验分析,不同牌号具体标准与实际化验结果如表1
4、所示,叶轮材质符合设计要求。图2叶片裂纹位置和形貌2023年第5期26小原权术表17不同牌号化学成份要求及取样化学成份分析结果(质量份数wt%)牌号/取样位置碳C硅Si锰Mn磷P硫S铬Cr镍Ni钼Mo1.4317/GX4CrNi13-40.061.01.00.0350.02512 13.53.55.00.70ZC06Cr13Ni4Mo0.060.81.00.0350.02511.513.53.55.00.4 1.0叶片0.0180.470.520.0140.01013.003.810.49盖板0.0190.460.540.0180.01213.243.690.502.2力学性能检验为验证叶轮是
5、否符合所选牌号及热处理的相关技术要求,对叶轮各部位取样进行力学性能检验,包括硬度测试、拉伸测试、冲击测试。2.2.1硬度测试BSEN102832010标准中对GX4CrNi13-4(Q T 2)钢种硬度值未做要求,参考GB/T6967一2009中的ZG06Cr13Ni4Mo(H T 2)牌号,其参考范围为2 9 4 3 50 HBW,抽样实测前置泵叶片和盖板硬度为2 9 5 3 0 7 HBW,其硬度满足要求。2.2.2拉伸测试室温拉伸性能参照标准BSEN102832010中对GX4CrNi134(Q T 2)钢的要求,2 2 6 高温拉伸性能参照厂家技术条件中对GX4CrNi134(Q T
6、2)钢的要求,结果如表2 所示。测试表明,叶轮的室温拉伸性能和2 2 6 高温拉伸性能均满足相应的标准或厂家技术条件。2.2.3冲击测试BSEN102832010标准中对GX4CrNi13-4(Q T 2)钢的室温冲击性能为冲击吸收功Akv35J,抽样实测叶轮盖板冲击吸收功Akv为56 8 0 J,其冲击性能满足要求。2.3尺寸检查叶轮由盖板、叶片、轮毂等部件组成,叶片采表2拉伸性能测试结果编号/参考标准取样位置R.m/MPaRpo.2/MPaA/%备注L1盖板92284515.5L2盖板93785014.5室温拉伸BS EN10283-201090083012L3盖板90281812.0L4
7、盖板7957406.5226 拉伸厂家技术条件775737一一用对称双吸布置,两叶片中部汇合,出口处没有盖板分开。为改善水力性能,离叶片出口10 0 mm处厂家采用渐变减薄的设计方式。对断裂叶轮叶片出口位置进行厚度测量,发现1#叶片壁厚最薄处约2.3 2 mm(该位置设计要求最小值5mm),4#叶片最薄处约3.7 7 mm(该位置设计要求最小值4mm)。测量其他存在裂纹或线性显示缺陷的叶片出口处厚度,在2.5 4.1mm之间,各叶片出口处厚度差异较大,且叶片工作面存在不同程度凹陷、减薄情况。2.4微观检测在断裂叶轮盖板、叶片等多个不同位置切取金相试样,检验结果表明,各检验位置显微组织均为回火马
8、氏体,其上分布较多球状夹杂物,基体内局部可见疏松及气孔缺陷,表面局部可见夹渣和裂纹缺陷,裂纹呈弓形,端部较为圆钝,内部充满氧化物,初步判断为铸造冷隔缺陷。对断裂叶片断口进行扫描电镜微观观察分析,缺陷内可见自由凝固表面特征,应为铸造缩孔缺陷,缺陷边缘可见裂纹起裂区台阶形貌特征,扩展区可见疲劳条带特征。分析叶片裂纹由缺陷处萌生,以疲劳方式扩展为主。2.5小结叶轮材料化学成份和力学性能均满足BSEN10283一2 0 10 标准及厂家技术条件,显微组织为回火马氏体,组织正常。金相试样显示叶片铸件中存在较多的缩孔、疏松、冷隔等铸造缺陷;电镜分析叶片断口为疲劳断口,疲劳裂纹起裂于缩孔处,起裂位置叶片厚度
9、远小于设计值。初步推测此次断裂与大尺寸铸造缺陷和叶片厚度不足有关。3叶片厚度分析3.1同型号泵组对比查询并经过对比,该公司同型号前置泵供应另2023年第5期27小原技术外两个核电厂,经过多年成熟运维验证,并未出现叶片断裂或裂纹的情况。对比同型号前置泵在不同电厂主要设计参数差异,详见表3 所示,其中相同部分参数为叶片数6枚,叶片出口处设计厚度4mm,盖板边缘设计厚度9 mm。通过对比不同电厂前置泵设计参数差异,发现断裂叶片前置泵功率整体偏大,为满足更大流量和扬程的设计要求,采用全口径叶轮;其他电厂由于前置泵功率偏小,采用切割出口叶片的方式来降低流量或扬程。由于原泵型采用出口叶片厚度渐变减薄的设计
10、方式,出口处原本承压最大,对叶片强度要求高。对于出口V型切割叶轮来说,既切掉了叶片最薄弱之处,也降低了出力,设计裕度得以显著提高,其叶轮整体可靠性比全口径叶轮高。3.2同厂家不同型号泵组对比该公司供应的另一个型号前置泵已在某核电厂安全运行2 0 年,期间解体检查并未发现叶轮裂纹或叶片损坏现象。对比同厂家不同型号前置泵在两个核电厂主要参数的差异,如表4所示。其中D厂前置泵叶轮材质为CA6NM,与A厂叶轮材质1.4317+QT2化学成份及物理性能均比较接近。通过对比同厂家不同型号前置泵性能参数及叶轮尺寸差异,除叶轮水力部件尺寸随功率降低而减小外,最明显的差距在于叶片出口厚度变化,D厂叶片出口厚度9
11、 mm,远大于A厂叶片出口厚度;D厂效率8 3%,低于A厂效率。可见厂家在设计D厂前置泵时,其叶片强度的设计裕度远大于A厂。不排除是由于厂家在追求效率提升过程中,改变了原有设计,在叶片出口处作减薄处理。3.3不同厂家泵组对比查询其他核电厂前置泵使用情况,不同电厂泵组出力、叶轮选材有一定偏差,如表5所示。查询A487/A487M143可知,各电厂所用钢材牌号不尽相同,但主要化学成份相近,叶轮物理性能主要因所选用的热处理温度不同而有较大变化。通过对比不同厂家所供前置泵性能参数及叶轮尺寸数据,剔除额定流量、叶轮直径所存在的偏差,叶片出口厚度相差最为明显,E厂前置泵叶片出口厚度为A厂的2.5倍,而叶片
12、材质的硬度、屈服强度、抗拉强度等物理性能并没有成倍的差距。侧面反映A厂前置泵叶片出口强度所留裕度表3同型号前置泵设计参数对比电厂流量/(m/h)扬程/m转速/(r/min)功率/kW效率/%外径/mm备注A(断裂)3572240.81490240686815全口径叶轮B3292227.01496212985810/785出口V型切割C3292227.01496212985810/785出口V型切割表4同厂家不同型号前置泵参数对比叶轮直径出口宽度盖板边缘叶片出口电厂流量/(m/h)扬程/m转速/(r/min)功率/kW效率/%D2/mmb2/mm厚度S,/mm厚度S/mmA3572240.814
13、9024068681594.09.04D3256165.3149115928373284.510.59表5不同厂家前置泵参数对比叶轮直径出口宽度盖板边缘厚度叶片出口厚度电厂材质流量/(m/h)扬程/m转速/(r/min)D2/mmb2/mmS,/mmS/mmA1.4317+QT23572.0240.814908159494ECA6NM3291.0252.11494840811110FCA-15+HT3306.1240.1149680090178GCA6NMA3306.1151.014967048010920233年第5期28小原枝术远没有E厂大。3.4叶片厚度设计估算叶轮工作时,叶片上承受着液
14、体的反作用力和叶片质量的离心力,受力情况比较复杂,很难精确计算厚度,根据大量实践经验总结,可用估算公式(1)计算叶片的厚度4)KD22VHS=(1)Z式中,K为系数;D为叶轮外径(m);H 为叶轮扬程(m);Z 为叶轮叶片数。系数K与离心泵的比转速n。和叶片的材料有关,其值可参考表6 5比转速n。是与泵过流部分几何尺寸有密切关系的一个参数,其与泵转速、流量、扬程相关,不同工况点比转速也不同,通常采用额定工况点来计算。由于该前置泵叶轮叶片中间盖板未到D2处(中间盖板取消,中部开始汇合成一枚叶片),强度计算等同于单个叶轮,计算比转速时流量不除以2,其叶轮比转速为:3.65n/Qn=(2)H3/4式
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