根本原因分析方法在汽轮机转子屈服强度超差的应用

根本原因分析方法在汽轮机转子屈服强度超差的应用

于新娜1江鸿2郑勇3王文凯4罗贤龙5

福清核电有限公司福建福清350300

摘要：汽轮机转子锻件的质量是保证华龙一号安全运行的重要因素，本文针对某核电厂低压转子锻件先后出现屈服强度不满足合同要求的根本原因分析进行经验反馈，并为后续项目管理提供经验。

关键词：根本原因分析；汽轮机转子；屈服强度；应力腐蚀；项目管理

1.引言

根本原因分析（简称RCA）技术和方法最早在美国航天航空业应用，上个世纪末成为国际核电厂避免核设施设备故障分析、纠正和预防的主要方法，并取得了良好效果。RCA的特点是充分利用实际客观证据、通过系统化、逻辑化、规范化的分析方法、对事件进行全面充分分析，确保分析结果的唯一性，准确查找出事件的根本原因并制定合理的纠正措施。

核电站重大设备的稳定可靠是保证电站安全经济运行的基础和前提。为了提高设备可靠性，基于根本原因分析的理念，对某核电厂汽轮机转子锻件前后两次出现屈服强度不满足技术要求的问题运用RCA，找出问题发生的根本原因，进而制定出有效的预防措施，防止同样或者类似质量事故重复发生，以确保产品质量符合技术要求。

2.汽轮机转子屈服强度控制意义

某核电厂汽轮机低压转子为六段五焊缝焊接转子，运行工况在50～250℃之间的湿蒸汽下，部件表面易存在凝结液滴、液膜或溶液干涸残留物形成腐蚀环境。同时，汽轮机转子、叶片和榫槽等结构承受着较高的静、动载荷，容易产生腐蚀破环问题，而应力腐蚀裂纹是核电汽轮机结构中的重要破坏形态[1]。一般情况下，材料的屈服强度和环境温度是影响转子钢材料应力腐蚀裂纹的两个最重要的参数[2]。

图1某核电厂低压转子结构图

3.转子锻件屈服强度超差描述

某核电厂前期项目低压转子为九段十焊缝的结构形式，而此项目为六段五焊缝，转子锻件尺寸较以前更大，为保证锻件芯部具有足够的断裂韧性，锻件承制单位通过调整性能热处理工艺使锻件充分淬透以获得更高的冲击韧性，因此将汽轮机转子锻件的最终屈服强度选择在满足规范要求的中下限。两根低压转子锻件承制单位实测屈服强度分别满足技术规范要求，而焊接单位回厂后复验两根屈服强度最小值分别低于规范要求的4.2%和2.2%。

4.屈服强度超差根本原因分析

某核电厂转子锻件制造工艺通过了FAI认证，故分析认为根本原因应为试验室试验数据正常偏差，主要是基于国外承制单位实测的屈服强度值也已接近技术要求的下限，且综合考虑试料取样位置、加工误差、表面光洁度及试验机力值误差和引伸计测量误差等工程中不可避免的误差因素。针对锻件制造生产工艺和试验检验方法逐一进行分析，最终确定转子锻件超差的根本原因为双方实验室采取的拉伸试验参数不同和轴端锻件轴心取样部位的力学性能低于其他位置且接近规范要求下限。具体分析如下：

（1）轴端锻件轴心取样部位的力学性能低于其他位置

在转子轴端锻件制造各工序过程中，最易对力学性能试验结果产生影响的主要有钢锭冶炼、锻造成型、性能热处理三个工序。

钢锭冶炼：在大型锻件中化学成分偏析往往被认为是造成性能偏差的一个主要因素，而承制单位制造的焊接转子锻件采用了电渣重熔工艺有效改善了这一情况，不会因为成分偏析而造成拉伸性能上的差异。

锻造：承制单位在锻件锻造成型中采取了镦粗和拔长工艺，保证了锻件组织的均匀性，因此锻造成型也应该不是形成该问题的原因。

性能热处理：在淬火过程中，由于轴端各个部位形状和尺寸的差异，在进入水槽冷却时，导致锻件表面各部位的冷却速率并不相同，轴端锻件的淬火温度场云图如图2所示，通过云图分析，轴端锻件取样部位POINT3和POINT2都在锻件较大体积旁边，尤其是POINT2位于轴端锻件的叶轮体旁边，受到热源的热辐射最大同时仅有一个表面接触冷却水介质，其淬火速率最慢，因此其性能本身较POINT1部位差，POINT3部位由于轴端法兰的存在也相当于处在一个热源旁边，端面也只有一个方向与冷却水介质直接接触因此其冷却速率也不如POINT1。再者，在回火过程中，热交换最好的POINT1部位较POINT2和POINT3部位能在更短的时间内达到均热，其回火的有效时长就大于其余部位，使得其回火效果更充分，性能也就更稳定。基于上述原因，认为此为轴端轴心位置强度较其他位置偏低主要因素。

图2轴端温度场云图

（2）承制单位与焊接单位拉伸试验方法差异分析

焊接单位在与承制单位主要差异为所采用的试验参数，焊接单位在测屈服强度时采用的是应变控制，而承制单位在测屈服强度时采用的是应力控制，根据该锻件拉伸试验方法标准ASTMA370（锻件技术规范中规定试验方法）的相关规定，有三种测试屈服强度的方法可供选择[3-11]：①按照试验机横梁的位移速度或者试验机十字头的分离速度（通常称位移控制）；②按照试样的应变速度（通常称应变控制）；③按照试样的受力速度（通常称应力控制）。ASTMA370§8.4.1中规定了应变控制的速率，屈服阶段应变速率为0.00625～0.0625/min，§8.4.2规定了应力控制的速率，屈服阶段应力速率为≤690MPa/min，在实际试验过程中，两家试验室拉伸速率的选择均在ASTMA370允许范围内。

5.屈服强度超差根因的验证

在承制单位为其他核电厂供货的相同工艺转子轴端及轮盘余料上取样进行应变控制与应力控制的对比试验，通过试验可以发现，无论是在交货态试验还是在模拟焊后热处理试验采用应力控制的屈服强度较采用应变控制的屈服强度更高。

6.结论

综合分析两个转子锻件屈服强度超差根本原因为，一是轴端锻件轴心取样部位的力学性能低于其他位置，接近规范要求下限；二是焊接单位与锻件承制单位拉伸试验方法存在差异。

参考文献

[1]MelekhovR．K．，Lytvyntseva0．M．CorrosionCrackingofRotorSteelsofSteamTurbine[J]．MaterialsScience，1994，30（5）：53l一539．

[2]ZhouS．Q．，TumbullA．SteamTurbineOperatingConditions，ChemistryofCondensatesandEnvironmentAssistedCracking—aCriticalReview[R]．NPLReportMATC（A）95，1992．

[3]司春杰.金属拉伸试验速度对屈服强度的影响及其负荷速率的控制[J].理化检验.物理分册.1996（04）.

[4]章荣建.金属拉伸速度对强度影响的控制[J].机电技术.2008（02）.

[5]陆文华.影响拉伸试验结果的主要因素[J].广东交通职业技术学院学报.2004（04）.

[6]蔡增伸，王海勇，王从贤.金属拉伸试验方法的关键及其对策[J].实验力学.2000（02）.

[7]王大方，陈浩.金属拉伸试验应力速率对屈服强度的影响[J].计量与测试技术.1999（02）.

[8]凌树森.金属材料力学性能试验第一讲拉伸试验（一）[J].理化检验（物理分册）.1994（01）.

[9]凌树森.金属材料力学性能试验——第二讲拉伸试验（二）[J].理化检验（物理分册）.1994（02）.

[10]李忠民，李文学，李国成.拉伸速度对力学性能测定的影响及控制方法[J].物理测试.1996（06）.

[11]黄绍良.机械力学性能拉伸试验的拉伸速度研究[J].上海航天.1998（06）.