Hodnocení poškození části pláště čerpadla napájecí vody 250-KHX na JE Dukovany

• Foto

ÚVOD

Na plášti napájecího čerpadla (ENČ) 250-KHX č. 85500410 z JE Dukovany (obr. 1) byly kapilární zkouškou v oblasti vnitřního průměru 210 mm indikovány axiální a radiální trhliny (obr. 2). Axiální trhliny se vyskytovaly v místech, kde je pouzdro s gumovým O-kroužkem, radiální trhliny na čelní stykové ploše pláště v těsné blízkosti rozváděcího kola. Oblast vnitřního průměru na ENČ byla v průběhu provozu opravována austenitickým návarem (navaření vrstvy do pouzdra a následné obrobení ze strany pouzdra a čelní stykové plochy) – viz obr. 3.

Podle současných poznatků byly trhliny nalezeny i na pláštích dalších čerpadel 250-KHX, které byly opravovány nebo upravovány navařováním austenitickým materiálem.

Pro pláště ENČ byla provedena analýza napjatosti pomocí metody konečných prvků s uvážením ohřevu čerpadla na pracovní teplotu 168°C a chlazení oblasti ucpávky na 20 až 30°C. Z výpočtových analýz plyne, že zatížení pláště čerpadla vnějšími silovými účinky je v místě nalezených trhlin minimální. V oblasti nalezených trhlin nepůsobí žádné vnější silové a momentové účinky, je zde pouze vnitřní přetlak 0,84 MPa na sání čerpadla. Dále byly provedeny analýzy tělesa pláště čerpadla pro navrhovanou opravu místa s nálezem trhlin [1].

Nedestruktivní a destruktivní analýzy za účelem stanovení příčin poškození na vyřezaném kroužku ENČ č. 85500410 z JE Dukovany s trhlinami (obr. 2) jsou předmětem tohoto příspěvku. 

NAPÁJECÍ ČERPADLO 250-KHX

Čerpadlo typu 250-KHX je hlavním napájecím soustrojím sekundárního napájecího okruhu generátoru jaderné elektrárny. ENČ je konstruováno jako článkové, horizontální, odstředivé čerpadlo a skládá se z odlitého pláště čerpadla, do kterého je umístěn stator spolu s rotorem. Je určeno pro dopravu upravené napájecí vody do max. teplot 180°C a jeho provedení umožňuje tzv. „studený start“, okamžité najetí studeného - neprohřátého čerpadla přímo na provozní teplotu napájecí vody. Napájecí čerpadlo je konstrukčně řešeno se sacím stupněm, který tvoří oběžné kolo, umístěné v sacím kusu. Tím je zajištěna vysoká sací schopnost čerpadla, jsou příznivě ovlivněny náklady na umístění napájecí nádrže a odpadá použití podávacího čerpadla. Na EDU je pět kusů ENČ 250-KHX, v provozu jsou vždy pouze čtyři a pracují po celý rok mimo odstávku, tj. 6528 h/rok pro jedno ENČ.

MATERIÁL

Odlitek pláště ENČ 250-KHX je z materiálu 42 2904. Jedná se o vysokolegovanou ocel na odlitky, která je vhodná na odlitky oběžných kol, lopatek a dalších součástí vodních turbín vystavených korozi a kavitaci, dále pak na součásti vodních čerpadel apod. Chemické složení základního materiálu (ZM) pláště udává tab. 1. Plášť byl opraven austenitickým materiálem opravného návaru (MON) s chemickým složením, viz tab. 2.

POUŽITÉ METODY HODNOCENÍ

Nedestruktivní hodnocení bylo zaměřeno na:

• odběr silikonových replik z povrchu pláště v místě vyskytujících se trhlin,
• měření chemického složení ZM pláště a MON.

Pro destruktivní analýzy byla navrhnuta varianta vyřezání kroužku z oblasti poškození (obr. 3). Hodnocení bylo zaměřeno na:

• metalografické hodnocení mikrostruktury ZM, resp. MON v oblasti trhlin,
• fraktografické hodnocení lomových ploch trhliny v ZM, resp. v MON.

Silikonové repliky byly zhotoveny pomocí komerčně dodávané, rychle tuhnoucí dvousložkové hmoty systému RepliSet (firmy Struers, Dánsko). Vzhledem k nutnosti přípravy otisků na svislých stěnách pláště a k teplotě okolí byla zvolena thixotropní modifikace hmoty s dobou tuhnutí cca 20 minut (v závislosti na teplotě), nesoucí označení RepliSet - 101TH.

Složení materiálů bylo stanoveno metodou optické emisní spektrometrie (OES), která je akreditovanou zkouškou zkušební laboratoře oddělení podpora provozu energetických zařízení (ZL OPPEZ), měření bylo provedeno mobilním OES přístrojem ARCMET 8000 SL MobileLab, výrobce Oxford Instruments. Měření v 5 místech bylo realizováno na vnějších plochách plášťů v oblasti příchytných patek. V souladu s předpisem byly měřené plochy připraveny broušením brusným papírem hrubosti 50 za využití ruční rotační brusky.

Metalografické výbrusy pro hodnocení mikrostruktury byly připraveny standardním způsobem, tj. mechanickým broušením na metalografických papírech o zrnitosti 500 – 2 400, leštěním pomocí diamantové pasty (zrnitost D 3 a D 0,7) a koloidní silice (OPS Struers). Pro pozorování struktury byl vzorek elektrolyticky leptán v 10% kyselině šťavelové. Obrazová dokumentace byla zpracována na světelném mikroskopu Epiphot 300 s analyzátorem obrazu NIS-Elements 4.2. 

Pro fraktografické hodnocení lomových ploch byly vyřezané vzorky s trhlinami cyklovány a postupně rozevřeny. Následně byly lomové plochy studovány na skenovacím elektronovém mikroskopu (SEM). Byl použit rastrovací elektronový mikroskop VEGA TS 5130 XM fy. Tescan s.r.o. Pro dokumentaci bylo použito zobrazení v sekundárních a zpětně odražených elektronech, při velikosti obrazů 1024 x 864 obrazových bodů. Rozsah použitých zvětšení byl 100 až 5 000 x.

VÝSLEDKY

V oblasti poškození pláště bylo odebráno celkem pět silikonových replik. Z naměřených hodnot je patrno, že indikace vyskytující se v oblasti malého průměru měly v radiálním směru délky od cca 14 mm do cca 22 mm, pouze délka magistrální indikace byla cca 30 mm. Indikace se ve všech případech šířily přes celou výšku opravného návaru, a následně pokračovaly přes rozhraní do základního materiálu pláště odlitku. V axiálním směru byla délka indikací do cca 15 mm. Šířky indikací se pohybovaly od 30 μm do 80 μm.

Měřením chemického složení ZM pláště bylo zjištěno odpovídající zastoupení prvků oceli 42 2904. Obsahově byly naměřeny nižší hodnoty manganu (tab. 2). Kromě deklarovaných prvků byly v oceli identifikovány i prvky molybden a vanad, které lze označit za prvky slitinové. Složení opravného návaru odpovídá složením Cr-Ni-Mn ocelím.

Na vyřezaném kroužku bylo po kapilární zkoušce celkem 15 viditelných indikací. Jejich pozice byly vůči kroužku a plášti čerpadla zaznačeny ve stupních (obr. 4). V oblasti sražení kroužku byly zjištěny nerovnoměrné stopy řezného nástroje, tyto stopy (zářezy, mikrotrhliny) byly takřka po celém obvodě sražení a vznikly s největší pravděpodobností během obrábění (obr. 5). Detailním zkoumáním na SEM byly v oblasti mikrotrhlin potvrzeny oxidické úsady.

Drsnost povrchu byla hodnocena na povrchu sražení ve směru obrábění, dále na axiální ploše ve směru obrábění i ve směru kolmém na směr obrábění. Drsnost Ra na plochách sražení vykazuje hodnoty okolo 5 μm, zatímco hodnoty z axiální plochy jsou 1,5 až 1,6 μm. Vyšší drsnost na povrchu sražení spolu s mikrotrhlinami může při provozních zatíženích souviset se vznikem trhlin.

Výška opravného návaru na čelní straně pláště byla nestejnoměrná a její hodnoty se na čelní straně pohybovaly v rozmezí 6 - 28 mm. Lomové plochy rozlomených trhlin byly v celé ploše pokryty kompaktní oxidickou vrstvou (hnědo-černé zbarvení), oblasti cyklování a dolomu byly kovově lesklé bez vrstvy (obr. 6). Na plochách byly viditelná hranice mezi MON, tepelně ovlivněnou zónou (TOZ) a ZM pláště. Trhliny se v ZM šířily dle semieliptického modelu. Trhliny byly bez odskoků, relativně hladké s dobře patrnými postupovými čarami. Postupové čáry (Obr. 6) ukazují, že růst nebyl kontinuální, trhliny se několikrát zastavily a znovu rozběhly. Na lomové ploše byly při větším zvětšení patrny zbytky striací, poškozené růstem oxidů. Lomové plochy v MON připomínají svým charakterem korozní únavu.

Trhliny iniciovaly z mikrotrhlin v oblasti sražení kroužku. Jedna z trhlin iniciovala v otevřené dutině v oblasti sražení opravného návaru, šířila se v MON i TOZ ZM převážně transkrystalicky a na několika místech se větvila (obr. 7).

Mikrostruktura základního materiálu byla martenzitická, vyskytovaly se v ní globulární komplexní vměstky o velikosti 5 až 10 μm. V opravném návaru se vyskytovaly materiály o různém chemickém složení, mikrostruktura jednotlivých housenek byla feriticko-austenitická popř. čistě austenitická, byly patrny vady typu studený spoj a dutina.

Provedení opravného návaru bylo značně komplikované. Nejprve byly navařeny vnitřní axiální housenky, které měly na pozorovaných řezech austenitickou strukturu, na tyto byly navařeny vnější austenitické housenky se strukturou feriticko-austenitickou. Na čelní straně byly navíc patrné radiální (obvodové) housenky s austenitickou strukturou, místy však i s feriticko-austenitickou strukturou.

ZÁVĚR

Hodnocení poškození pláště s indikacemi bylo rozděleno na několik částí. Prvotní nedestruktivní hodnocení bylo doplněno hodnocením destruktivním a výpočtovými analýzami.

Nedestruktivní a destruktivní hodnocení potvrdilo chemické složení pláště odpovídající materiálu ČSN 42 2904, chemické složení opravného návaru odpovídá svým složením Cr-Ni-Mo ocelím. Opravný návar na čelní straně byl velmi nerovnoměrný. V oblasti sražení s hodnotou drsnosti Ra = 5 μm se po celém obvodu vyskytovaly mikrotrhliny, které vznikly pravděpodobně nástrojem břitu v procesu obrábění. Na mikrotrhlinách iniciovaly transkrystalické trhliny, které se z oblasti sražení šířily přes opravný návar do materiálu pláště. Lomové plochy s kompaktní oxidickou vrstvou neměnné tloušťky vykazovaly postupové čáry ukazující na nerovnoměrný růst trhliny, zbytky striací poukazovaly na cyklické únavové poškození. Analýza opravného návaru složeného z axiálních a radiálních housenek ukázala použití materiálů
o různém chemickém složení, opravný návar byl nekvalitně proveden a obsahoval vady dle ČSN ISO 6520-1 (dutiny, studené spoje).

Výpočtovými analýzami bylo zjištěno, že základní napjatost od vnitřního přetlaku je v celém tělese pláště čerpadla relativně nízká a dosahuje maximálně cca 30 MPa. Zatížení od vnitřního přetlaku 0,84 MPa na sání čerpadla tedy nemůže být příčinou vniku trhlin. Napětí v místě nálezů trhlin je cca 2,5 MPa. Výpočtové analýzy s různými variantami rozložení teplotních polí neprokázaly výrazná tahová napětí v oblasti výskytu trhlin.

Vznik trhlin v oblasti malého průměru byl s největší pravděpodobností způsoben nekvalitními opravami odlitků, resp. dovařováním austenitického materiálu, kdy po delší době provozu docházelo v oblasti sražení k iniciaci a rozvoji trhlin směrem do materiálu pláště. Plochy MON mají naprosto nepravidelný tvar, který neodpovídá třískovému obrábění před navařováním, provedený návar je nekvalitní s vadami.

Literatura
[1] Ernestová, M., Krpec, M., Burda, J., Dotřel, J., Matýsek, M., (2016): DITI 2302/363 Rev. 1, Stanovení příčin poškození vnitřního povrchu pláště č. 85500410 napájecího čerpadla 250-KHX na EDU. ÚJV ŘEŽ, a. s.
[2] Dotřel, J., Matýsek, M., (2016): DITI 2301/688, Výpočtová analýza části pláště čerpadla napájecí vody 250-KHX. JE Dukovany včetně doporučení nápravných opatření. ÚJV ŘEŽ, a. s.

DAMAGE ASSESSMENT OF THE FEED PUMP 250-KHX SHELL AT NPP DUKOVANY
By capillary testing, some cracks were found on feed pump 250-KHX shells in the seal chamber area at the pump suction. From the shell (no. 85500410) after 26 years of operation, a ring with cracks has been cut out. In order to determine the causes of its damage destructive analysis were carried out in UJV Řež. This evaluation was completed by computational analysis with a remedial action recommendation.

Autoři

• Ernestová Miroslava
• Krpec Miroslav
• Burda Jaroslav
• Dotřel Jan
• Matýsek Tomáš