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核电站PTR系统法兰失效分析

唐世延

(中国核电工程有限有限公司,福建 福清 350300)

【摘 要】某核电厂PTR系统冷却水泵法兰运行过程中产生大量缺陷,发生了硼泄漏,对核安全造成威胁。通过化学成分检验、力学分析、组织结构分析等手段对法兰进行取样失效分析。试验发现法兰本体材料以及焊接热影响区域组织晶粒粗大,非金属夹杂物在管内晶界处连续分布。冷却水泵运行引起管道以及法兰的振动峰值速度提高。在存在非金属夹杂物的情况下,在管材内壁的非金属夹杂物处产生了疲劳裂纹,并不断向外扩展,最终导致法兰的泄漏。

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关键词 失效分析;法兰;PTR系统;核电站

作者简介:唐世延 (1982—),男,安徽砀山人,工程师,毕业于西南交通大学,研究方向为核电站新技术研究及管理。

0 引言

反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统(简称:PTR系统)是反应堆中的重要系统,它为核燃料厂房的乏燃料水池和反应堆厂房的反应堆换料水池服务,以保证乏燃料元件贮存池的持久冷却和反应堆换料水池的注水、排水和净化。

某核电厂PTR系统在运行过程中发现PTR003VB法兰发生泄漏,外表面出现硼结晶体。液体渗透检查发现在近焊缝处存在多处长约3~5mm线性缺陷显示,缺陷位于管道内壁且距离焊缝边缘约0.3mm的焊接热影响区。PTR系统其它同类法兰经液体渗透检查发现,8片法兰中有7片法兰存在线性缺陷显示。为保障核电站反应堆冷却介质的状态,确保核电站安全运行,防止后续类似事故发生,非常有必要对PTR系统失效法兰开展失效分析,判断其失效性质并分析失效原因。

1 试验方法

采用液体渗透探伤、材料化学成分分析(EDS, FEI NANO400)、材料力学性能测试(电子万能试验机,WDW-100C)、基材及裂纹截面金相分析(OM,Olympus OLS4000)、裂纹断口扫描电镜及能谱分析(SEM/EDS,FEI NANO400)等方法进行失效分析。

2 试验结果与分析

2.1 化学成分分析

失效法兰的材质为304L奥氏体不锈钢,为验证材料化学成分是否符合标准要求,从失效的法兰上截取试样进行化学成分分析,分析结果表明,化学成分符合规范的技术要求,但成分分析中发现存在较高含量(0.07%)的Al。

2.2 力学性能分析

根据GB/T228.1对失效法兰材料进行力学性能测试,结果表明,该材料的屈服强度,抗拉强度和伸长率指标均符合标准要求。

2.3 显微组织分析

对失效法兰母材与热影响区金相组织进行对比,发现焊接热影响区晶粒尺寸较大,这与焊接过程中热输入有关。

对失效法兰母材的晶界结构进行扫描电镜分析,发现夹杂物主要沿晶界分布。能谱分析结果表明夹杂物中含有Al2O3、MnS夹杂物以及Al2O3-SiO2-CaO 系复合夹杂物,上述夹杂物中以含Al的夹杂物居多。根据GB/T10561对法兰基体材料进行了夹杂物评级,评级结果为1.0~1.5级。

2.4 裂纹分析

对裂纹断口的全貌进行分析,在内壁附近可以观察到端面呈现一系列相互平行的条纹,略微弯曲,呈波浪状,并与裂纹微观扩展方向垂直,裂纹的扩展方向均朝向波纹凸出的一侧,此为疲劳裂纹的典型特征。在裂纹断口上还发现各种形态的夹杂物,EDS检测结果表明这些夹杂物为富含Al、S的非金属夹杂物。

通过扫描电镜观察管壁局部微裂纹的形貌,在微裂纹中间部位可观察到条状夹杂物,能谱分析显示含有较高含量的Al,这进一步证实了含Al夹杂物对于该法兰失效起到了至关重要的作用。

3 讨论

扫描电镜及能谱分析结果表明,材料中存在大量的含铝相非金属夹杂物。化学成分分析结果证实Al含量高达0.07%,较高的Al含量与材料的冶炼、铸造和加工过程有关。Al2O3为钢中较为常见的夹杂物,Al2O3可以有许多种形态,由于它的熔点高(2050℃),所以它往往以初晶刚玉析出,刚玉是六角形且可以与其他三价M2O3类氧化物完全互溶[1]。Al2O3的来源主要有两类:其一是将铝加入钢中脱氧时生成的,其尺寸为1~4μm左右;其二是来自耐火材料。文献[2-3]曾对304不锈钢中的夹杂物来源进行过分析,发现冶炼过程中耐火砖材料是Al的主要来源,夹杂物的主要种类是Al2O3-SiO2-CaO系复合夹杂、Al2O3夹杂、Al2O3-SiO2系硅酸盐夹杂以及SiO2夹杂。

钢中非金属夹杂物的存在降低材料的塑性、韧性和疲劳性能,尤其当夹杂物以不利的形状和分布特征存在时,对材料的力学性能影响更为严重[4-5]。危害性最大的夹杂物是来源于炉渣和耐火材料的外来氧化物,它们尺寸大、形状不规则、分布集中并且变形性差。这些夹杂物塑性很差(MnS除外),与基体相属于非共格关系,结合力较弱,其存在往往成为潜在的裂纹源,特别容易引起部件的早期疲劳破坏[6]。同时,铝硅钙夹杂物具有较高的熔点和硬度,其硬度随Al2O3含量的增加而升高,变形量小,当压力加工变形量增大时,铝硅钙被压碎并沿着加工方向呈串链状分布,严重地破坏了钢基体均匀的连续性。

钢中非金属夹杂物的变形行为与基体之间的关系,可用夹杂物与基体之间的相对变形量来表示,即夹杂物的变形率V。夹杂物的变形率可在0~1范围变化,若变形率低,钢经加工变形后,由于钢产生塑性变形,而夹杂物基本上不变形,便在夹杂物和钢基体的界面处产生应力集中,导致在钢与夹杂物的界面处产生微裂纹。在交变载荷的作用下,非金属夹杂物便成为构件在使用过程中引起疲劳破坏的隐患。

疲劳裂纹起裂于不均匀局部滑移而形成的微裂纹,主要方式为表面滑移带形成、第二相、夹杂物或其界面起裂,晶界或亚晶界起裂、各类冶金缺陷和工艺缺陷的起裂等。工程金属疲劳裂纹的萌生多发现于第二相、夹杂物处,这些部位在较低的应力下就会出现应力应变集中,裂纹易于萌生并扩展。因此,在疲劳应力作用下,疲劳易于在材料中含有上述非金属夹杂物处开始萌生和扩展。失效的管道法兰所属管道所处位置靠近水泵,该泵正常运行时为常开状态,水泵运行时的振动通过管道传导至失效的法兰,从而提供了法兰产生疲劳失效的交变载荷。

由于法兰在焊接部位为壁厚4mm的薄壁管,较多的含Al非金属杂物较多,晶粒粗大,且失效法兰所属管道的平均振动幅度为PTR系统中最大的等因素叠加使得法兰以疲劳方式失效。

4 结论

焊缝热影响区以及母材晶粒粗大,非金属夹杂物在管内壁断口区域连续分布,裂纹萌生于管材内壁的非金属夹杂物处,在疲劳载荷作用下不断向外扩展,最终导致法兰以疲劳方式失效。

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参考文献

[1]董履仁,刘新华. 钢中大型非金属夹杂物[M].北京:冶金工业出版社,1991.

[2]张雅丽,王建军,罗林根,郭上型,孔辉,周俐.304奥氏体不锈钢铸锭中非金属夹杂物研究[J].安徽工业大学学报,2011,28(4):350-354.

[3]李双江,李阳,姜周华,李伟坚.304奥氏体不锈钢夹杂物的冶金行为[J].东北大学学报:自然科学版,2010,31(3):402-405.

[4]曾光廷,李静缓,罗学厚.非金属夹杂物与钢的韧性研究[J].(下转第334页)(上接第291页)2000,18(2):87-91.

[5]许忠波,EL.Gammal.钢中夹杂物含量及其形态对钢力学性能的影响[J].钢铁研究学报,1994,6(4):18-23.

[6]廖景娱.金属构件失效分析[M].北京:化学工业出版社.

[责任编辑:邓丽丽]

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