第三代核主泵屏蔽电机的关键部件金属材料国产化综述

2017-04-07李雅范李梦启郑吉伟

大电机技术 2017年2期

李雅范，李梦启，秦斌，郑吉伟

李雅范1,2，李梦启1,2，秦斌1,2，郑吉伟1,2

(1.黑龙江省核主泵工程技术研究中心，哈尔滨150066; 2哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨150066)

材料的国产化是设备国产化的基础，第三代核主泵屏蔽电机部分关键材料在国内均为首次制造，能否实现国产化将会成为制约主泵电机国产化的瓶颈问题。为推进主泵电机关键材料的国产化进程，同时满足后续项目的需求，依托国家科技重大专项，对部分关键材料的国产化研究进行了专项立项研究，取得了突破性的进展。通过与联合单位的合作，进行了材料试制及试验研究，实现了屏蔽套、电机轴，飞轮护环，高强度支撑筒及推力盘等关键部件材料的国产化制造，为核主泵电机的国产化奠定了材料基础。本文主要论述了国家重大专项立项研究的关键部件金属材料国产化情况。

核主泵；屏蔽电机；关键部件；金属材料；国产化

0 前言

核主泵是在核反应堆中唯一长期高速转动的装备，是核电站的“心脏”。在我国积极推进的非能动第三代核电技术中，核主泵为屏蔽电机主泵。屏蔽电机是核主泵中的关键部件，也是核电设备中需要国产化的重要核一级设备。核主泵电机金属材料的国产化，特别是关键部件材料的国产化是设备国产化的基础，只有实现了关键部件材料的自主化，才能真正实现核电设备设计、制造的自主化。多年来，依托于国家重大专项的支持，经多方共同努力，核主泵电机关键部件金属材料国产化取得了可喜的成果，多项关键材料实现了国内首次制造。与此同时，通过技术引进、消化吸收、再创新及自主研发选材，哈电动装公司形成了整套完整的核主泵屏蔽电机材料技术文件，用于指导原材料的采购、制造及验收，满足了产品制造要求。

1 关键部件金属材料的国产化

核主泵屏蔽电机零部件多，结构较为复杂，同时运行涉及了温度，压力及腐蚀、辐射等复杂工况，因此相对于轴封型核主泵用电机，它的选材种类多，并且一些材料技术要求苛刻。针对屏蔽电机的材料特点，进行了分类分析及评估，针对78种部件材料进行了统计，其中不锈钢材料占36项，304类奥氏体不锈钢占25项，403类马氏体不锈钢占9项，双18奥氏体护环钢2项。高温合金占12项，碳钢或合金钢占9项。因此，仅从数量比例来看（非重量比例），电机内金属材料不锈钢、高温合金及耐蚀合金占一半以上，约为65%。其中，关键部件材料及瓶颈材料是制约主泵电机国产化的难题，对这些部件材料，如电机壳体锻件材料、定、转子屏蔽套材料、支撑筒锻件材料、电机轴锻件材料、飞轮保持环锻件等，公司依托国家重大专项“大型先进压水堆核电站重大专项屏蔽电动泵制造技术”及“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站屏蔽主泵电机屏蔽套材料和飞轮护环制造及应用研究”，在国内寻求材料制造厂家联合开展了科研开发工作，并取得了重大突破，为主泵电机的国产化制造及自主研发奠定了材料基础。

1.1 电机壳体锻件

电机壳体锻件是核主泵屏蔽电机中最大的承压边界部件、核安全一级部件，是定子内部其他部件的载体和保护壳[1]。电机壳体锻件由主法兰、机壳和下法兰3个部件组焊而成，其中主法兰和机壳的材料为ASME SA-508M Gr.1[2]碳钢锻件，下法兰的材料为304奥氏体不锈钢锻件，如图1所示。

自2010年，哈电动装先后联合二重、沈阳科金、一重进行电机壳体锻件的国产化研制，实现了下法兰锻件的国产化，但主法兰锻件和机壳锻件材料国产化存在极大的难度，尚未完全实现国产化。机壳和主法兰锻件材料，在保证强度的基础上，要求其具有高的塑韧性，尤其是对锻件的无塑性转变温度提出了非常高的要求，RTNDT要求低于等于-45.6℃（-41℃不开裂），这在以往该种核电材料的技术要求上是没有的。此外，相近的核岛部件上，如碳钢泵壳锻件、蒸汽发生器锻件、稳压器锻件，管板锻件等，也选用该类材料，但其参考的无塑性转变温度最低也只有-29℃。该项要求挑战了该材料无塑性转变温度的极限水平，成为该材料国产化制造的难点，甚至成为瓶颈问题。

图1 核主泵屏蔽电机壳体整体锻件

1.2 屏蔽套C-276薄板

与普通异步电动机相比，核主泵屏蔽电机的主要差异在于电动机内安装了两个屏蔽套：定子屏蔽套和转子屏蔽套。冷却剂在定、转子屏蔽套的中间间隙流动，带走转子和定子的热量，屏蔽套的主要作用是用来防止转子铜条和定子绕组与反应堆冷却剂接触。屏蔽套通过两张薄板滚半圆和拼焊制造，其材料为镍基耐蚀合金ASTM B575 UNS N10276（C-276）[3]薄板, 该合金在各种腐蚀环境（包括电化学腐蚀和化学腐蚀）中，具有耐各种形式腐蚀破坏（包括均匀腐蚀、局部腐蚀以及应力腐蚀等）的能力，同时还具有电阻率高、强度高、导热性能好、焊接性能优、非磁性的优点。

2012年，哈电动装联合宝钢特钢立项进行了国产化开发研究。研制此材料的困难主要有[4]：1）合金成分复杂，低碳、低硅、高钨钼含量是其主要成分特点，冶炼成分控制难度较大；2）产品尺寸规格要求高：产品厚度为0.4mm和0.76mm，板宽1020mm，轧制困难，且表面质量、板形、尺寸公差要求苛刻，生产难度极高，该规格已远远超出国内镍基薄板的标准要求，国内钢厂没有相关业绩；3）性能要求高：除ASTM B575要求的组织性能外，增加了电阻率的要求。目前国内的高温合金和耐蚀合金产品中，从未把电阻率作为标准要求，没有相应的经验积累及相关报导，需要进行大量的试验研究；4）制造难度大，材料合金成分高、变形抗力大，锻造及轧制开裂倾向大；大扁钢锭的电渣重熔工艺不稳定，导致表面沟槽后序很难消除，C276的热轧及冷轧均属首次；5）制造要求特殊性：达到表面质量需光亮退火，不允许酸洗处理；6）科研投入大：虽然每台主泵电机的定转子屏蔽套仅各用2张，但由于是卷制成形，试制过程中需要投入的坯料的量比较大，因此必须先进行小炉试验摸索性能，再进行大炉生产。

在整个研制过程中，电渣重熔，锻造及热轧过程中均出现过开裂，其中，炉卷热轧是制造工艺流程中的最大难点。在研制过程中，炉卷热轧技术在很长时间都难以突破，后续的冷轧及光亮退火也不能进行。为了解决这个难题，保证工程进度，我们制定了两种研制方案：一种是通过从国外外购热轧钢卷，绕开炉卷热轧的难题，直接进入冷轧和光亮退火的研究，但由于缺少冶炼过程的控制，难以保证电阻率指标的合格；另一种是突破炉卷热轧技术，整套制造工艺全部国产化。第一种研制方案在2015年完成，成功制造了合格的定、转子屏蔽套薄板，研究成果已用于核主泵屏蔽电机中；第二种方案的炉卷热轧技术在2016年2月取得重大突破，首次得到C-276钢卷。在屏蔽套薄板研制成功的基础上，进行了后续剪切、成型及焊接工艺研究，图2为屏蔽核主泵电机样机产品成功制造的屏蔽套产品件。

图2 核主泵屏蔽电机屏蔽套部件

1.3 高强度支撑环

支撑环承受定子屏蔽套传递而来的高温高压，起到支撑定子屏蔽套的作用，同时要求材料不导磁，受工况限制，该部件选用的是UNILOY 888合金锻件，此材料属于高温合金[5-8]。由于UNILOY 888是一种非标材料，国内各领域均未用过此材料，也无相关报导，因此国内制造厂均无该材料的制造业绩，也无法供应该材料。

依托国家重大专项，哈电动装联合沈阳科金进行国产化研制，通过小件研究及1:1支撑筒锻件验证拟定工艺，并调整优化，最终确定了化学成分配比范围，解决了热变形易开裂、冶金质量控制等技术难题，开发了支撑筒锻件成型工艺及热处理工艺等成套制造技术。2013年，高强度支撑环材料实现国产化，实现了该锻件材料的国内首次制造，图3为到货的支撑铜锻件。

图3 核主泵屏蔽电机高强度支撑环锻件

1.4 转子轴

转子轴是核主泵屏蔽电机中最重要的传动部件，长期在高温高压、强中子辐照、及交变载荷的水腐蚀环境中服役，对其强韧性能、耐腐蚀性能、组织均匀性、抗疲劳载荷性能等综合性能提出很高的要求，以确保60年的设计寿命[9]。同时，为了满足电机设计要求，还要求材料满足一定的磁性能要求。转子轴材料选用了ASTM A336 Type 403[10]马氏体不锈钢，该部件材料淬透性不好，受轴本体直径较大限制，其强韧性等力学性能不高，此外，耐腐蚀性能和组织均匀性也不高，实际产品达到图纸及采购规范要求具有很大难度，需要采取特殊冶炼及热处理工艺控制。因此，转子轴锻件国产化研制的难点是实现强韧性和磁性能的同时达标。依托国家重大专项，哈电动装联合沈阳科金对转子轴锻件进行了国产化研制，通过小炉制造试验件来摸索工艺、等比例产品模拟件验证工艺的研制方案，完成了成分设计、冶炼、锻造和热处理整套制造工艺的研究，2013年实现了转子轴锻件的国产化试制，目前已成功应用于屏蔽核主泵电机样机产品上。图4为核主泵屏蔽电机样机轴锻件成品。

图4 核主泵屏蔽电机轴锻件

1.5 飞轮及飞轮保持环

飞轮设计的目的是增加轴系的转动惯量，增加电机失电后的惰转时间，以确保安全停堆。三代核主泵屏蔽电机中包括上、下两个飞轮。每个飞轮由轮毂锻件、钨块、护环锻件、外壳组成。轮毂与转子轴配合，材料与转子轴的相同，为403马氏体不锈钢。钨块为ASTM B777[11]中Class 4，钨含量97%以上。由于钨的比重大，可以获得更大的转动惯量。护环用来保护重金属钨块不飞逸，选用了ASTM A289M[12]中Grade 8高强度锻件。外壳用来防止钨块、护环受到介质水的腐蚀，选用625镍基耐蚀合金。

其中的材料制造难点主要在飞轮保持环上。飞轮保持环锻件采用的ASTM A289 Gr.8材料，相当于汽轮发电机转子护环上常用材料1Mn18Cr18N，但是强度级别却采用了ASTM中的最高级别Gr.8，该级别在我国的机械部标准JB/T 7030[13]内是没有的。实际上，上世纪八十年代中后期，我国曾组织国内几家大型机械厂进行了护环材料研制，并且几大重机厂如一重、二重、上重等研制的护环于九十年代通过了国家鉴定。但是由于没有找到最优化的工艺参数，制造成本高、工艺不稳定，未能形成批量生产。目前，用量最大的高等级转子护环仍大部分依赖进口，尤其是高等级的护环。

飞轮保持环的制造难点在于：1) 飞轮护环强度要求高，挑战该材料极限水平；2）成分设计及冶炼控制，冶炼过程中，N元素的添加非常困难，需要采用加压的电渣重熔设备，同时要具备丰富的实践经验和技巧；3) 锻造工艺难，易于开裂；4) 冷涨成型工艺对设备及工装工具要求高，需要设计专用工装工具，使得胀形前后的变形量达到一定的数值以上。设计和制造难度大；5) 热处理过程易于热应力开裂。由于国内制造的护环仅达到6级，缺少高等级护环的制造业绩和经验，因此，依托国家重大专项，哈电动装联合制造厂对护环材料进行了研制，通过一系列措施攻克以上技术难点，在成分冶炼方面，提高了钢水纯净度，将C、N、Mn、Cr控制在成分上限，控制残余元素的含量，确定最佳的化学成分配比，提高奥氏体的稳定性及材料初始强度。电渣重熔过程中，控制电渣钢锭的表面质量，避免钢锭表面出现气孔和裂纹。在锻造过程中，严格控制每一火次的墩粗比、变形温度及送进量，减少变形抗力。在固溶处理过程中，采取措施，控制奥氏体化的稳定性，保证组织均匀，为变形强化做好准备。在冷涨形过程中，采取了外补液液压胀形特殊强化工艺及专用的护环压机和工装模具。冷胀形后，进行了消应力热处理，既达到降低残余应力目的，又提高了奥氏体组织的稳定性。通过以上研究，2015年底年完成了8级护环锻件的国产化，且研究成果已用于核主泵屏蔽电机样机上，护环成品锻件见图5。

图5 核主泵屏蔽电机飞轮及护环部件

1.6 推力盘

推力盘是核主泵屏蔽电机轴承中的重要部件，承载着整个轴系的重量，它与推力轴承瓦块组成摩擦配对副。从设计角度来考虑，要求推力盘的工作面必须具备耐磨的特点。单一材料的性能难以满足推力盘工作面耐磨的要求，该部件采用了热等静压技术，在基材锻件的表面热等静压一层硬质合金粉末层。热等静压技术是在高温时施加各向均匀的静压力，使材料实现致密化的工艺。

该部件的热等静压工艺研究在国内尚属首次，从包套设计和制造，热等静压温度，压力参数摸索，及粉末冶金的界面扩散状况及组织状态，应力及开裂，均是国产化制造的难点。从2010年开始，依托国家重大专项，哈电动装联合北京安泰科技股份有限公司进行了推力盘材料及热等静压工艺的国产化研究。推力盘的国产化设计有两种结构：一种是ASTM B564[14]UNS N06600锻件+Stellite 12粉末；另一种是ASTM A182[15]Gr.F347不锈钢+690堆焊过渡层+Stellite 12粉末。目前，第一种结构的推力盘已成功研制，正在通过轴承试验进行验证；第二种结构正在进行347不锈钢和690堆焊的研究，国产化研究仍在进行。该项工艺的开发目前双方已经共同申报了国家发明专利，实际推力盘产品见图6。

图6 核主泵屏蔽电机推力盘成品件

2 结束语

材料是产品的基石。经过多年的努力，通过技术引进及消化吸收，依托国家重大专项立项研究，实现了核电主泵屏蔽电机关键部件的金属材料的国产化研究及试制，在国内均属于首次制造，为公司核主泵电机国产化制造奠定了扎实的材料基础。

[1] 戚彩梦. 三代先进非能动型主泵电机碳钢机座材料国产化研究[J].上海大中型电机，2015,(3): 17-23.

[2] ASME Sec.II PartA, SA-508M Specification for Quenched and Tempered Vacuum-treated Carbon and Alloy Steel Forgings for Pressure Vessels[S]

[3] ASTM B575-06, 低碳Ni-Cr-Mo、低碳Ni-Cr-Mo-Cu、低碳Ni-Cr-Mo-Ti、低碳Ni-Cr-Mo-W合金厚板、薄板及带材规范[S].

[4] 秦斌，李雅范, 等. 核主泵屏蔽电机屏蔽套C-276 薄板国产化的难点分析. 上海大中型电机, 2015, (4).

[5] 郑吉伟. 三代先进非能动型主泵电机用支撑筒材料热处理工艺研究[J].大电机技术，2013,(4): 26-29.

[6] 崔忠圻. 金属学与热处理[M]. 机械工业出版社，1988

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[11] ASTM B777-99, Standard Specification for Tungsten Base, High-Density Metal[S].

[12] ASTM A289M, Standard Specification for Alloy Steel Forgings for Nonmagnetic Retaining Rings for Generetor[S].

[13] JB/T 7030-2002, 300MW~600MW 汽轮发电机无磁性护环锻件技术条件[S].

[14] ASTM B564-06, 镍基合金锻件标准[S].

[15]ASTM A182-08, 高温用锻制或轧制合金钢公称管道法兰、锻制管配件、阀门和零件[S].

Overview for Metallic Material Localization of Key Components of Canned Motor for the Third Generation Nuclear Reactor Coolant Pump

LI Yafan, LI MengQi, QIN Bin, ZHENG Jiwei

（Engineering Research Center of RCP Heilongjiang Province，Harbin 150066，China;）( Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150066, China.)

Material localization is the foundation of equipment localization. The partial key material for the Third Generation Nuclear Reactor Coolant Pump is manufactured in China for the first time. These will be bottle-neck issues whether material localization can be realized or not. In order to push material localization forward, and meet demands for the follow-up project, on the basis of national major special technology projects, study for the partial key material localization has been finished, and breakthrough development has been achieved. With the cooperation between manufacturers and our company, material manufacturing and its test has been finished. Localization for the key part material, such as shielded can sheets, motor shaft forgings, flywheel retaining rings, high strength supporting rings, and thrust runner forgings have been realized and become the base of the localization for Third Generation Nuclear Reactor Coolant Pump. This paper describes the localization progress of the key component of Canned Motor for Nuclear Main Pump.

nuclear reactor coolant pump; canned motor; key component; metallic material; localization

TM623, TM32

1000-3983（2017）02-0026-05

2016-09-26

李雅范（1970-），1991年毕业于哈尔滨工业大学，材料加工工程专业，工学硕士。ASME III卷核电建造篇中国工作组委员，中国锻压协会大锻件理事会专家。目前从事金属材料专业技术工作，任哈尔滨电气动力装备有限公司副总工艺师兼材料室主任，研究员级高工。