核電站PTR系統法蘭失效分析

唐世延

（中國核電工程有限有限公司，福建 福清 350300）

0 引言

反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統 (簡稱：PTR系統)是反應堆中的重要系統，它為核燃料廠房的乏燃料水池和反應堆廠房的反應堆換料水池服務，以保證乏燃料元件貯存池的持久冷卻和反應堆換料水池的注水、排水和凈化。

某核電廠PTR系統在運行過程中發現PTR003VB法蘭發生泄漏，外表面出現硼結晶體。液體滲透檢查發現在近焊縫處存在多處長約3～5mm線性缺陷顯示，缺陷位于管道內壁且距離焊縫邊緣約0.3mm的焊接熱影響區。PTR系統其它同類法蘭經液體滲透檢查發現，8片法蘭中有7片法蘭存在線性缺陷顯示。為保障核電站反應堆冷卻介質的狀態，確保核電站安全運行，防止后續類似事故發生，非常有必要對PTR系統失效法蘭開展失效分析，判斷其失效性質并分析失效原因。

1 試驗方法

采用液體滲透探傷、材料化學成分分析（EDS,FEI NANO400）、材料力學性能測試（電子萬能試驗機，WDW-100C）、基材及裂紋截面金相分析(OM,Olympus OLS4000)、裂紋斷口掃描電鏡及能譜分析（SEM/EDS，FEI NANO400）等方法進行失效分析。

2 試驗結果與分析

2.1 化學成分分析

失效法蘭的材質為304L奧氏體不銹鋼,為驗證材料化學成分是否符合標準要求，從失效的法蘭上截取試樣進行化學成分分析，分析結果表明，化學成分符合規范的技術要求，但成分分析中發現存在較高含量（0.07%）的 Al。

2.2 力學性能分析

根據GB/T228.1對失效法蘭材料進行力學性能測試，結果表明，該材料的屈服強度，抗拉強度和伸長率指標均符合標準要求。

2.3 顯微組織分析

對失效法蘭母材與熱影響區金相組織進行對比，發現焊接熱影響區晶粒尺寸較大，這與焊接過程中熱輸入有關。

對失效法蘭母材的晶界結構進行掃描電鏡分析，發現夾雜物主要沿晶界分布。能譜分析結果表明夾雜物中含有Al2O3、MnS夾雜物以及Al2O3-SiO2-CaO系復合夾雜物，上述夾雜物中以含Al的夾雜物居多。根據GB/T10561對法蘭基體材料進行了夾雜物評級，評級結果為1.0～1.5級。

2.4 裂紋分析

對裂紋斷口的全貌進行分析，在內壁附近可以觀察到端面呈現一系列相互平行的條紋，略微彎曲，呈波浪狀，并與裂紋微觀擴展方向垂直，裂紋的擴展方向均朝向波紋凸出的一側，此為疲勞裂紋的典型特征。在裂紋斷口上還發現各種形態的夾雜物，EDS檢測結果表明這些夾雜物為富含Al、S的非金屬夾雜物。

通過掃描電鏡觀察管壁局部微裂紋的形貌，在微裂紋中間部位可觀察到條狀夾雜物，能譜分析顯示含有較高含量的Al，這進一步證實了含Al夾雜物對于該法蘭失效起到了至關重要的作用。

3 討論

掃描電鏡及能譜分析結果表明，材料中存在大量的含鋁相非金屬夾雜物。化學成分分析結果證實Al含量高達0.07%，較高的Al含量與材料的冶煉、鑄造和加工過程有關。Al2O3為鋼中較為常見的夾雜物，Al2O3可以有許多種形態，由于它的熔點高（2050℃），所以它往往以初晶剛玉析出，剛玉是六角形且可以與其他三價M2O3類氧化物完全互溶[1]。Al2O3的來源主要有兩類：其一是將鋁加入鋼中脫氧時生成的，其尺寸為1～4μm左右；其二是來自耐火材料。文獻[2-3]曾對304不銹鋼中的夾雜物來源進行過分析，發現冶煉過程中耐火磚材料是Al的主要來源，夾雜物的主要種類是Al2O3-SiO2-CaO系復合夾雜、Al2O3夾雜、Al2O3-SiO2系硅酸鹽夾雜以及SiO2夾雜。

鋼中非金屬夾雜物的存在降低材料的塑性、韌性和疲勞性能，尤其當夾雜物以不利的形狀和分布特征存在時，對材料的力學性能影響更為嚴重[4-5]。危害性最大的夾雜物是來源于爐渣和耐火材料的外來氧化物，它們尺寸大、形狀不規則、分布集中并且變形性差。這些夾雜物塑性很差（MnS除外），與基體相屬于非共格關系，結合力較弱，其存在往往成為潛在的裂紋源，特別容易引起部件的早期疲勞破壞[6]。同時，鋁硅鈣夾雜物具有較高的熔點和硬度，其硬度隨Al2O3含量的增加而升高，變形量小，當壓力加工變形量增大時，鋁硅鈣被壓碎并沿著加工方向呈串鏈狀分布，嚴重地破壞了鋼基體均勻的連續性。

鋼中非金屬夾雜物的變形行為與基體之間的關系，可用夾雜物與基體之間的相對變形量來表示，即夾雜物的變形率V。夾雜物的變形率可在0～1范圍變化，若變形率低，鋼經加工變形后，由于鋼產生塑性變形，而夾雜物基本上不變形，便在夾雜物和鋼基體的界面處產生應力集中，導致在鋼與夾雜物的界面處產生微裂紋。在交變載荷的作用下，非金屬夾雜物便成為構件在使用過程中引起疲勞破壞的隱患。

疲勞裂紋起裂于不均勻局部滑移而形成的微裂紋，主要方式為表面滑移帶形成、第二相、夾雜物或其界面起裂，晶界或亞晶界起裂、各類冶金缺陷和工藝缺陷的起裂等。工程金屬疲勞裂紋的萌生多發現于第二相、夾雜物處，這些部位在較低的應力下就會出現應力應變集中，裂紋易于萌生并擴展。因此，在疲勞應力作用下，疲勞易于在材料中含有上述非金屬夾雜物處開始萌生和擴展。失效的管道法蘭所屬管道所處位置靠近水泵，該泵正常運行時為常開狀態，水泵運行時的振動通過管道傳導至失效的法蘭，從而提供了法蘭產生疲勞失效的交變載荷。

由于法蘭在焊接部位為壁厚4mm的薄壁管，較多的含Al非金屬雜物較多，晶粒粗大，且失效法蘭所屬管道的平均振動幅度為PTR系統中最大的等因素疊加使得法蘭以疲勞方式失效。

4 結論

焊縫熱影響區以及母材晶粒粗大，非金屬夾雜物在管內壁斷口區域連續分布，裂紋萌生于管材內壁的非金屬夾雜物處，在疲勞載荷作用下不斷向外擴展，最終導致法蘭以疲勞方式失效。

[1]董履仁,劉新華.鋼中大型非金屬夾雜物[M].北京:冶金工業出版社,1991.

[2]張雅麗,王建軍,羅林根,郭上型,孔輝,周俐.304奧氏體不銹鋼鑄錠中非金屬夾雜物研究[J].安徽工業大學學報,2011,28(4):350-354.

[3]李雙江,李陽,姜周華,李偉堅.304奧氏體不銹鋼夾雜物的冶金行為[J].東北大學學報:自然科學版,2010,31(3):402-405.

[4]曾光廷,李靜緩,羅學厚.非金屬夾雜物與鋼的韌性研究[J].2000,18(2):87-91.

[5]許忠波,EL.Gammal.鋼中夾雜物含量及其形態對鋼力學性能的影響[J].鋼鐵研究學報,1994,6(4):18-23.

[6]廖景娛.金屬構件失效分析[M].北京:化學工業出版社.