• 36 •4在我尤2020年第6期核主泵轴套耐磨堆焊层裂纹原因分析及处理 付勇白川侯志华季明明孙杰
(中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴；314000)
摘要：对某核电厂反应堆冷却剂泵（主泵）的结构以及首次全面解体过程中发现的轴承轴套表面裂纹情况进行了介 绍，调查了轴承轴套表面堆焊层材质、主泵零部件尺寸及相关运行数据，同时对轴套表面实施了金相检查。利用泵轴 表面强制对流传热机理分析轴套表面热应力分布趋势，并对轴套表面使用新型铁基硬质合金作为耐磨堆焊层材质的适 用性及焊接工艺进行评估。结果表明因低温密封注人水与高温冷却剂温度混合，泵轴运行环境温度梯度大，轴套表面 热应力高，而在既定焊接工艺技术条件下，新型堆焊层材质选用不当，导致主泵轴承轴套表面出现密集型浅表裂纹缺 陷。同时对现有裂纹可能导致的最严重后果进行评价，在严格遵循反应堆冷却剂泵运行技术规程条件下，监视运行可 以保证机组运行的安全。最终确定整体更换新泵轴组件、轴套表面耐磨堆焊层材质选用传统司太立合金的处理方案，电厂可根据主泵预防性解体周期，按计划有序对泵轴组件进行更换。 轴承轴套耐磨堆焊层裂纹
关键词：核电站用泵反应堆冷却剂泵
中图分类号：TH311 文献标识码：A
1概述
1.1主泵功能及结构
反应堆冷却剂泵（简称主泵）是核电厂反应堆 冷却剂系统中唯一高速旋转设备，用于驱动高温高 压冷却剂以大流量通过堆芯，把堆芯中产生的热量 传递给蒸汽发生器，使堆芯内燃料组件充分传热，确保燃料组件的安全。某电厂主泵为美国西屋公司 设计、日本三菱公司制造的M100D型控制泄漏密 封、立式单级单吸离心泵，结构如图1所示。主泵 导向轴承为水润滑石墨轴承，与石墨轴承配合的泵 轴部位安装轴承轴套，轴套表面有耐磨堆焊层，如 图2所示。轴承润滑水为一号密封注人水，正常情 况下一号密封注人水总流量约1.82 m3/h，其中 0•68 m3/h向上通过一号密封，其余向下流动对轴 承进行润滑冷却。沿圆周方向及斜裂纹，最长处约为250 mm，靠联 轴器侧有少量轴向裂纹，如图3所示。007余温之恋
图1主泵结构简图
1.2轴套裂纹问题描述
首次主泵全面解体检查过程中，对泵轴表面进 行液体渗透检查（P T检查），在轴承轴套耐磨堆焊 层表面检测出整圈较大面积的密集型浅表裂纹，在 靠叶轮侧底部有较多轴向裂纹，在中间部位有较多
叶轮侧图2
主泵轴套位置图
2020年第6期
• 37 .
2裂纹情况调查
2.1轴套耐磨堆焊层材质
表1 NOREM 02主要化学成分
C
C r Mo Ni M n Si N P S
2010山东理综
B 1.2
25
2
水解酸化4
4.5
3.3
0. 16
<0. 1
<0. 1
<0• 1
M 100D 型主泵轴承轴套及石墨轴承组件配合 部位详细结构如图4所示。轴承组件由轴承筒体和 两个
水平分开式轴承座组成，轴承筒体内部镶嵌安 装碳石墨环，碳石墨环与泵轴上轴承轴套配合。轴 承轴套基体材料为ASTM A 182M F 304，基体表面 堆焊1. 5 mm 厚硬质合金耐磨层。
传统主泵轴承轴套表面耐磨堆焊层材质为司太
立合金(Stellite )，司太立合金是一种耐磨损、耐腐 蚀以及耐高温氧化的钴基硬质合金。司太立合金中 的钴-59在一回路中被活化后将形成钴-60同位 素，钴-60具有强放射性且半衰期较长（5.272 年），将增加停堆检修期间放射性屏蔽难度及成 本，同时增加检修人员受辐射剂量。为降低钴元素 对放射性的影响，西屋公司改用一种新型铁基硬质 合金NOREM 02替代传统的司太立合金。NOREM 02 为不含钴合金，主要成分见表1。
EPRI ( Electric Power Research Insitute )研究表 明，采用PTAW (等离子弧堆焊）方法在不锈钢表面 堆焊NOREM 02获得的组织为奥氏体（如图5所示）， 晶界分布有M 7C 3共晶和M 6C 、M 3C 等非共晶碳化 物。实验室结果表明NOREM 02合金具有与司太立 合金相似的耐磨、耐腐蚀及机械性能，且在美国和 加拿大多个核电厂的部分阀门阀座上有成功工程验 证。实验室测试同样说明，高温高压工况下，在大 于6英寸的阀门上应用NOREM 02合金可能导致过 量泄漏。主泵轴承轴套表面堆焊NOREM 02硬质合 金仅进行实验室研究，没有成功工程验证，该电厂 主栗上为首次工程应用，而本次解体检查为新材料 应用后首次解体检查。
2.2轴套表面金相检查
为研究裂纹形成机理，对轴承轴套4个典型区 域（见图6)进行金相检查。使用5%硝酸酒精作为 侵蚀剂，
对检查区域进行电解侵蚀，侵蚀电压为 6 V ，侵蚀时间为10〜15 s ；侵蚀完成后，用乙酸 纤维素薄膜粘贴复刻出该区域金相组织；最后用激 光共聚焦显微镜观察现场获取的金相覆膜表面，获 取高倍（X 400)金相照片。4个典型区域的金相组 织如图7所示，金相分析结果表明，轴承轴套表面 的晶粒非常细小，3个有裂纹区域裂纹的分布情况 类似，均沿晶界发展。
图3轴承轴套360°裂纹显示结果
图4轴承组件结构示意图
图5 NOREM 02
堆焊层金相图
• 38 •2020年第6期
图6金相检查区域示意图
1
(2)轴套中央
⑴叶轮侧_
(3)联轴器侧(4)无显示区域
图7各区域金相组织图
2.3主泵零部件尺寸及运行数据检查
同时对主泵水力部件各零部件尺寸、磨损情况 进行检查，配合尺寸及磨损情况正常，满足技术规 范要求。查阅主泵历史振动、轴封注入水、一回路 升微降温等参数，各项数据均满足运行规范要求。
3裂纹原因分析
根据主泵轴承轴套堆焊层材料、堆焊层表面裂 纹的形貌、分布特征以及运行环境等进行分析，导 致裂纹缺陷产生主要有以下几种原因。
3.1轴套热应力分析
主泵泵轴各部位环境温度不同，轴承上方持续 注人轴封水温度约50 1，轴承下方叶轮部位冷却 剂温度约290 轴封注入水与冷却剂之间温度梯 度大，因此主泵泵轴运行环境是一个十分明显的冷 热水混合区域，流体流经栗轴表面时对其产生强制 对流传热。
根据强制对流传热机理，流体流经固体壁面 时，温度较高的热流体将热量传递给固体壁面，或 者温度较高的固体壁面将热量传递给流经它的冷流 体。流体流经固体壁面时，形成流动边界层，边界 层内存在着速度梯度；当流体呈湍流运动时形成湍 流边界层，但在靠近壁面处总有一层滞流内层，也 称为层流底层。在层流底层内流体质点沿管壁平行 运动，无论热量传递方向如何，必然要通过层流底 层，而在层流底层热量仅能以传导传热的方式进 行，由于流体导热系数较小，故而在层流底层形成 很大的热阻，使得温度剧烈变化，即层流底层呈现 的特征是热阻大、温度梯度大。
对于主泵泵轴表面强制对流传热，其对流换热 系数尽采用文献[1 - 2]中经验公式（1)
农业生产资料市场监督管理办法H「-X)⑴式中，K为热导率，物质导热能力的量度；£•为直径；乂为努赛尔数，表示流体层流底层的导 热阻力与对流传热阻力的比。
努赛尔数确定公式如式(2):
其中
1 +4500 C
R l63r
=_________K P rC/2_________
12.7(y j〇.5 (P”7 -1) +1.07
(2)
(3)
式中，G为格拉晓夫数，对流浮力和粘性力 之比；&为雷诺数，惯性力与粘性力之比；广为 普朗特数，动量扩散厚度与热量扩散厚度之比。
通过以上公式可推导出对流传热系数与速度的 函数关系，在一定对流传热系数下，研究表明[3]轴套温度变化沿径向呈指数递减关系，而热应力正比 于轴套温度变化，即热应力沿轴套径向同样呈指数 递减关系，如图8所示。从图8中可以看出热应力 分布的特点是集中于外表面很浅的范围内，且向轴 心快速衰减。根据等离子弧堆焊工艺，堆焊1.5 m m 厚硬质合金，其对本体热影响区厚度约1〜1.5 mm
,
2020年第6期
.39 .
〇1-------'---
- ----'-------L .
2.54 5.08 7.62
鄂州职业大学教务处10.16
至轴套外表面距离/mm
图8热应力沿轴套径向分布情况
可见热应力作用区域主要集中于轴套表面堆焊层及 其热影响区域，对轴套本体影响较小。
由于温度梯度大，轴套表面热应力集中，而堆
焊材料和母材热膨胀系数存在差异导致热膨胀量不 同，易导致轴套表面裂纹缺陷；而对于轴套本体 304奥氏体不锈钢，其屈服强度&205 MPa ，本体 所受热应力远远小于屈服强度，不会导致轴套本体 裂纹缺陷。现场P T 照片显示，堆焊层表面裂纹缺 陷主要集中在表面区域，且靠近叶轮侧温度较高区 域裂纹较多。因此，判断轴承轴套的热效应是导致 堆焊层表面裂纹缺陷的促成原因。
3.2堆焊层材质适用性及焊接工艺分析N 0REM 02合金成分中C 、Cr 、S i 含量较高， 组织韧性较差，在内部热应力、组织应力及外部拉 应力作用下，易产生裂纹。
轴承轴套基体材料304为奥氏体不锈钢，两者 的热膨胀系数存在差异。基体热膨胀量大于堆焊 层，堆焊层承受较大的拉应力作用后，可能产生大 量细小裂纹。NOREM 02对焊接工艺要求严苛，在 堆焊过程中，若堆焊参数不合理、工艺控制不严 格，焊道搭接部位易出现熔合不良，尤其是焊道根 部。在轴承轴套使用过程中，由于受基体轴向热膨 胀的影响，熔合不良的焊道之间容易脱离，产生撕 裂状裂纹。
因此，在轴承轴套等存在较大温度梯度的部 位，不建议采用NOREM 02这类铁基合金材料在 304、316类奥氏体不锈钢表面实施堆焊。
现场PT 照片显示，轴承轴套堆焊层表面发现 的裂纹类缺陷方向既有轴向裂纹，也有环向裂纹，
环向裂纹的分布具有明显的连续性，连续裂纹长度 远大于轴线方向，且两条环向裂纹之间的间距接近 焊道宽度，轴向裂纹宽度近似于焊道宽度。因此， 可判断在主泵运行环境下，NOREM 02材料的选择 以及堆焊工艺或者堆焊过程控制不当，是导致堆焊 层表面裂纹缺陷的根本原因。
3.3后果分析
根据类似部位发现的表面裂纹缺陷的特征、现 场金相观察结果和堆焊工程经验，无论是焊接工艺 不当，还是轴承的热效应导致堆焊层表面裂纹的产 生，其深度方向一般不会超过堆焊层厚度，即裂纹 不会扩展到轴套基体材料。但随着表面裂纹的扩 展，一旦裂纹封闭，极端情况下，该部位堆焊层表 面会呈片状脱落，这也是可能导致的最严重的后果。
主泵轴套堆焊层失效最严重后果的影响评价：(1)
脱落的碎片有可能进入轴承与轴套之间
的间隙，引起主泵振动增大、主杲轴承温度升高、 主泵电机电流增大等异常变化。
(2) 另一种可能是脱落的碎片进入主回路， 燃料组件下管座设计有滤网，因此碎片不会对燃料 棒的机械完整性产生影响。(3) 根据主杲结构和反应堆冷却剂流动方向， 判断碎片进入蒸汽发生器传热管从而对传热管产生 磨损的可能性不大。
综上所述，在主泵轴套堆焊层失效产生的最严 重后果的情况下，可能导致主栗振动增大、主栗轴 承温度升高、主泵电机电流增大等异常变化；但设 计上每台主泵设置有温度、压力、流量、液位、振 动、轴偏移和转速等监测和控制仪表，要严格遵循 主茱运行技术规程，并对主栗采取监视运行的手段。
4处理方案
通过上述分析，主杲泵轴运行环境温度梯度 大，轴套表面有较大热应力。在既定焊接工艺下， 耐磨堆焊层材质NOREM 02不适用于现场工况，导 致轴承轴套表面出现裂纹缺陷，而传统轴承轴套耐 磨堆焊层材质司太立合金（具体牌号为Stellitel 2) 与轴套基体材料304奥氏体不镑钢有良好焊接兼容 性，截至目前在全球范围内运行没有出现过裂纹 缺陷。
6
2
8
4
3 0 6 3
• 40 •2020年第6期
因此，确定处理方案为整体更换轴套表面有裂
纹的泵轴组件，新泵轴组件轴套表面堆焊层材质使用
传统司太立合金- Stellitel2 ’其化学成分如表2所示。
同时，针对轴套堆焊层裂纹失效最严重后果分
析及核安全评价表明：堆焊层失效的最严重后果是 NOREM02堆焊层呈片状脱落，这可能引起主泵振
动增大、主泵轴承温度升高、主泵电机电流增大等
异常变化。只要严格遵循主泵运行技术规程，机组
运行的安全是有保证的。因此，可根据主泵预防性
解体周期，按计划有序对电厂主杲水力部件进行全
面解体检查，更换新泵轴组件。
5结论
1)主泵泵轴运行环境温度梯度大，流体流经
泵轴表面对其进行强制对流传热的特征，致使轴承
轴套表面热应力较大；同时轴套表面新型耐磨堆焊
层材质NOREM02与轴套基体材料304奥氏体不锈
钢焊接工艺或焊接过程控制不当。即在特有运行环
境、既定焊接工艺技术条件下，堆焊层材质选用不
当，最终导致主泵在役一定燃料循环周期后轴套表
(上接第23页）
件进行了多工况单向流固耦合计算，对叶轮进行了
详细的应力、变形分析，利用第一强度理论对结构
进行了强度校核，分析了叶轮由于变形过大或者结
构由于强度不足而引起失效的可能性；对转子部件
进行了模态分析，分别计算了不考虑预应力情况下
系统在空气中的模态分布、考虑预应力情况下系统
在空气中的模态分布（干模态）以及系统在水中的
模态分布（湿模态），分析了预应力以及水介质对
系统模态的影响。得到结论如下：
(1)系统第一主应力的最大值出现在键与泵 轴联接处，最大变形发生在叶轮出口轮缘位置处，
叶片最大应力出现在叶轮出口靠近轮毂位置处，系
统各个工况点相应位置的应力值与流量呈负相关、
与扬程呈正相关的关系。
(2)小流量工况下整个转子部件的强度校核显示，结构能够满足强度要求，螺旋离心泵的叶轮
不会发生由于强度不足而失效的事故。
(3)在各种载荷特别是流体反作用力等预应力作用下，与自由振动情况相比，结构的模态分布
几乎没有发生变化，无论是振型或者固有频率分布
都基本没有变化，这说明预应力的作用对结构的模
表2 Stellhel2主要化学成分
Co N i Cr W Fe C Si Bal矣326-327 ~9. 5^3.0 1.2 〜1..7在2.0
面出现密集型浅表裂纹缺陷。
2)确定轴套裂纹处理方案为整体更换新泵轴
组件，轴套表面耐磨堆焊层材质选用传统司太立合
金-Stellitel2，可以彻底消除目前轴套裂纹缺陷，
并防止裂纹再次产生。根据主泵预防性解体周期，
按计划有序对主泵泵轴组件进行更换。
参考文献
[1]刘松，李姿琳，关振.核主泵主轴机械-热耦合疲劳分析
[J]•中国核电，2013, 6 (1): 22-27•
[2]于辉，杜凤山，李亮.热疲劳裂纹扩展的数值模拟m.重型
机械，2004 (5〉：50-59.
[3]Lih-Jier Young.Lifetime evaluation of cracked shaft sleeve of reac
tor coolant pump under thermal striping[J].International journal of
solidand structures,2001 (38)：8345 -8358.
(本文编辑王振华）
net link
(收稿日期2020-03 -27)
态分布几乎没有影响，其并没有显著改变结构各个
方向的刚度，结构也就没有发生应力刚化或者应力
软化的现象。
(4)相比于在空气中，结构在水中的相应振
型幅值以及固有频率都明显下降，固有频率的降幅
大概在10%左右，水介质的阻尼作用能够起到明
显减少振动的作用。
参考文献
[1]徐宇平，袁寿其，张金凤，等.螺旋离心泵研究现状及前景
[J].流体机械：2012 , 40 (4): 35 - 40 ,52.
[2]杨军虎，王国栋，张红霞，等.螺旋离心泵的研究开发现状
与展望[J].液压与气动，2009 (4): 1-2, 4.
[3]曹卫东，施卫东，潘中永，等.中高浓度螺旋纸浆栗的设计
[J].农机化研究，2002 (2): 63 - 65.
[4]李仁年，王丽晶.杂质泵的研究概况与发展趋势[J].水泵技
术，2001 (6) :11 -16.
[5]凌勇坚，王薇.螺旋式离心泵叶轮动平衡问题的优化设计
[J].通用机械，2004 (7): 75 -77.
[6]张银南，凌勇坚.用三维CAD手段优化螺旋离心式叶轮动平
衡问题[J].现代机械，2004 (6): 21 -22.
[7]Craig I Walker,Greg C Bodkin.Empirical W ear Relationships For
Centrifugal Slurry Pumps Part 1：side-liners[J].Wear,2000,
242 (1 -2)：140-146.
(本文编辑陈丽霞）
(收稿日期2020-07 -20)
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议