-MW核电二回路主给水前置泵的铸造工艺研究及实践.doc

1000MW核电站二回路前置泵泵体的铸造工艺研究及实践张吉雁，王桂权，刘仲礼 烟台台海玛努尔核电设备股份有限公司，山东 烟台 264000摘要：本文介绍了核电站常规岛主给水系统中的马氏体不锈钢前置泵的铸造工艺设计方案，通过对产品结构、质量要求、材料及使用状况进行分析，针对缩松、裂纹和夹渣等缺陷的产生原因，提出了相应的解决方案，生产出合格产品。关键词：前置泵；马氏体不锈钢；铸造工艺中图分类号：TCasting method study and practice of Pre-feed Pump Body in Secondary Circuitof 1000MWNuclear Power PlantZhang Jiyan，Wang Guiquan，Liu ZhongliAbstract:In his paper, casting method of martensitic stainless steel pre-feed pump body for main feed water system in conventional island of nuclear power plant wasintroduced. Based on the analysis of the product shape, quality requirement, material and working environment，some solutions for shrinkage porosity, crack and slag inclusion were proposed, and finally qualified products were manufactured. Key words：Pre-feed pump；martensitic stainless steel；casting method1前言电动给水泵位于核电站常规岛二回路系统，其主要作用是将除氧器中的来水升压后，经高压加热器向蒸汽发生器提供给水，给水泵是二回路循环水的主要动力源1。电动给水泵主要由前置泵、压力级泵、电动机、液力耦合器组成。前置泵的功能：由除氧器来的高压、高温、近饱和的给水，直接进入高速增压的压力级泵会产生汽蚀现象，对设备具有严重破坏作用，但经前置泵低速增压后，则具有足够的有效汽蚀余量，从而改善了压力级泵的抗汽蚀性能，延长了设备的使用寿命，保证了给水泵的安全运行。前置泵属于单级双吸泵结构，其使用工况恶劣，长期处于高温高压环境，其质量的优劣直接影响给水泵的安全、稳定运行，是整个二回路系统中的关键部件。作者简介：张吉雁，男，1973年生，籍贯：山东烟台，本科，研究方向：铸造工艺；通讯作者：刘仲礼，男，博士，高级工程师，E-mail：前置泵泵体采用马氏体不锈钢铸造成型。马氏体不锈钢是通过马氏体相变的方法来提高材料的强度，凭借其良好的淬透性、优良的室温和低温力学性能、良好的冷热工艺性能，广泛应用与制造水轮机泵、转轮叶片、压缩机叶轮等中大型铸件2。马氏体不锈钢浇注温度高，易产生表面粘砂；同时马氏体不锈钢收缩性大，极易产生缩松和晶粒粗大等缺陷，同时马氏体不锈钢具有强力的冷裂倾向3。2前置泵泵体的产品结构和技术要求前置泵泵体采用马氏体不锈钢ASME SA-487 CA6NM（A类），其化学成分见表1。该泵体尺寸大，形状复杂（见图1），成品重量约4.8吨，最大外形尺寸2200*1768*964mm，入水腔壁厚45mm，出水腔壁厚60mm，与腔壁相交处壁厚约80120mm。泵体全表面PT 1级检验，图2所示虚线部位要求进行RT 2级检验。整体尺寸按CT12级验收，流道尺寸执行JB/T6879 B级要求。水压试验：2MPa，30min无渗漏。图1 前置泵泵体Fig.1 Pump Body for Pre-feedPump表1 CA6NM化学成分 (wt%）Tab.1 Chemical component of CA6NMCSiMnPSCrNiMo0.061.001.000.0400.03011.5-14.03.5-4.50.4-1.0图2 RT检测部位Fig.2 RT area3前置泵泵体的生产难点分析（1）泵体外形尺寸大且结构复杂，模型需要大量砂芯及活块结构，操作上难度大，三个流道腔互相相交，拉筋、支撑板与流道腔相交，这些交汇点易形成大量的热节点，铸造工艺设计时均要考虑。（2）此产品属于核电站中的关键部件，使用寿命长，并且是在高温高压环境，故对产品的内在质量要求高。图2中虚线框内的部分要求RT 2级检验，整体进行水压试验，这就要求控制整个产品不出现缩松等内在缺陷。（3）CA6NM材料属于高合金的马氏体钢，铸造性能差，生产过程中易产生裂纹缺陷。（3）泵体的流道形态及尺寸要求严：此泵体尺寸较大，且壁厚不均匀，易产生变形，引起流道形态改变和尺寸超标；在后期热处理过程中发生马氏体相变也会影响到最终尺寸。（4）不锈钢材料易出现大面积的夹渣等表面缺陷，增加后续的清理工作。此产品要求全表面打磨处理，夹渣类缺陷增加处理难度，也易导致产品壁厚不足。4工艺设计分析及采取措施（1）分型方式的选择：大部分此类产品均采用大平面向下处理，这样芯头易于固定，操作容易。但本产品由于内部结构上有RT要求，为保证内部厚大部分内无缩松缺陷，在内部RT部位放置两个冒口，这样就采用大平面向上的分型方式，具体见图3 。这样的分型方式，带来了砂芯不稳定的问题，解决方法：把1#、2#、3#砂芯的芯头配合位置的芯骨通过焊接方式变成钢性结构，原来的三个砂芯变成了整体砂芯，变成了具有三个固定点的稳定结构，即保证了下芯的稳定性，也保证了浇注过程中受钢水浮力时的稳定性。另外，此分型方法，可以大量地使用顶冒口，这即有利于钢水的补缩，也有利于夹渣、气体的排出，图3 铸造工艺图Fig.3 Casting Method（2）内部缩松缺陷的消除：产品结构的复杂性，决定了铸件上出现大量的热节点，通过冒口与冷铁配合使用，使各相交部位的热节点得到冒口的补缩。当均匀壁厚超过30mm时，砂型的激冷作用下降，如果得不到补缩，则会在中心部位出现轴线缩松。此泵体的入口流道壁厚45mm，出口流道壁厚60mm，在超过冒口补缩距离的部位，要放置侧冒口，并配合补贴和冷铁，保证所有的流道壁均在冒口的补缩范围内，消除轴向缩松缺陷，见图3中的侧冒口。所有的冒口布置见图4，侧冒口11个，顶冒口11个。图4 冒口布置图Fig.4 Distribution of Risers（3）形状和尺寸控制：铸件在凝固收缩过程中受到砂芯和型砂的阻碍作用，不同部位受到的阻碍作用不相同，故铸件各部位的实际收缩是不同的。前置泵泵体尺寸大，壁厚不均匀，各部位实际收缩不一致，模型制作时采用差别化的缩率。此产品受阻碍最大的部分是流道壁，采用缩率：1.6%；其它部分采用2.0%缩率，并在局部位置增加工艺补正量用于修正局部缩率与模型缩率不一致的影响。另外，在砂芯内腔放置泡沫板，增加砂芯的退让性。（4）马氏体不锈钢材料的影响：马氏体不锈钢铸件易产生裂纹缺陷，砂系采用铬矿砂做面砂，面砂层厚度不少于壁厚，加快凝固，减少热裂纹出现的机会；在壁厚差大的相交点，如法兰与流道、冒口与流道等部位增加拉筋；铸件在砂型内冷却到300度以下再开箱，防止高温开箱时热应力加大铸造内应力。冒口的热切割位置离本体大于50mm，减少切割时的热影响区对本体的影响，切割后的冒口残根采用气刨方式去除，并最终用打磨方式去除割口表面的微裂纹层，再进行热处理。（4）浇注系统设计：泵体产品结构复杂，钢水在充型过程中流动的方向性和稳定性差，易出现紊流或涡旋，引起夹渣和气孔缺陷。同时，对于不锈钢材料，由于含铬量高，易形成氧化膜，产生夹渣缺陷的倾向更大。前置泵体的浇注重量达12吨，整体尺寸大，浇注系统设计更要注意钢水流动的稳定性。设计时，保证钢水水平流动距离不超过1米，并尽量对称分布（见图4），使每只内浇口的流入量与可充型的体积相对应，降低各股钢水间的混流程度；设置引流槽（见图3），降低钢水进入型腔的速度，并充分保证钢水从铸件下部引入型腔；充型时，液面上升速度不小于25mm/s，钢水充型速度不小于220kg/s。通过以上设计，可保证钢水底注、大流量、快速平稳的充型，使钢水自下而上，不卷气、不紊流，液面快而均速上升，降低氧化夹杂的产生并利于夹杂物的上浮。5实际生产情况按此工艺方案，生产了一件前置泵泵体铸件，生产出的铸件尺寸符合要求，RT未发现超标缺陷，水压试验合格，表面质量良好，见图5。图5前置泵泵体实际产品Fig.5Pump Body for Pre-feedPump6 结论（1） 泵体类铸件的分型方式，要在保证产品质量的前提下再考虑可操作性。（2）泵体铸件的壁厚超过30mm时，要考虑通过冒口、补贴及冷铁的配合使用消除壁厚的轴线缩松缺陷。（3）大型泵体在模具制作时，不同方向上要选用差别化的缩率，并局部配合适当的工艺补正量，保证产品尺寸符合要求。（4）对马氏体不锈钢铸件，即要注意防止钢水凝固过程中发生热裂，又要注意型内冷却及冒口切割过程中发生冷裂。（5）