核電主管道取樣管焊縫疲勞開裂案例分析

（中廣核工程有限公司設(shè)計(jì)院核島設(shè)備所，廣東深圳518124）

核電主管道取樣管焊縫疲勞開裂案例分析

梁夏香，段遠(yuǎn)剛

（中廣核工程有限公司設(shè)計(jì)院核島設(shè)備所，廣東深圳518124）

目的針對某核電機(jī)組主管道取樣管焊縫水壓試驗(yàn)后滲透檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)線性顯示，分析失效原因，探討制造期間不常見的疲勞裂紋形成及擴(kuò)展的機(jī)制，分析導(dǎo)致疲勞的交變應(yīng)力源所在。方法通過宏觀分析、金相觀察、斷口掃描電鏡試驗(yàn)。結(jié)果材質(zhì)未見異常，該線性顯示為裂紋所致，是疲勞裂紋。結(jié)論取樣管焊縫焊趾部位多源裂紋不是水壓試驗(yàn)所產(chǎn)生的，為水壓試驗(yàn)后機(jī)械加工去除堵頭時(shí)，因切削不良使取樣管側(cè)焊趾附近承載的交變載荷過量引起的疲勞開裂；疲勞應(yīng)力主要來自水壓試驗(yàn)后取樣管堵頭切除加工工序，銑削不良是引發(fā)疲勞裂紋的關(guān)鍵因素。

核電主管道；水壓試驗(yàn)；焊趾；疲勞裂紋

一般說來，在設(shè)備制造期間的失效案列中，很少錄有疲勞失效的情形，通常原因在于大型構(gòu)件在加工制造期間，交變應(yīng)力的占比往往可忽略不計(jì)，特殊情況即使考慮交變受力，其應(yīng)力幅值和頻率也很難滿足能導(dǎo)致疲勞失效的必要條件。近年來筆者從事核電設(shè)備制造不符合項(xiàng)處理的設(shè)計(jì)處理工作，遭遇到了制造期間疲勞失效損傷的真實(shí)案例，因此選擇一大型構(gòu)件制造期間疲勞失效損傷的案例進(jìn)行分析探討。

1 案例介紹

該案例發(fā)生在某制造單位承制的某壓水堆核電站的主管道上，其取樣管焊縫部位在出廠前的水壓試驗(yàn)完成后進(jìn)行的滲透檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)密集的線性顯示超標(biāo)，不滿足設(shè)計(jì)要求。將取樣管及焊縫切割下來進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)分析，開具不符合項(xiàng)處理文件，提交設(shè)計(jì)方審查，以便獲準(zhǔn)進(jìn)行返修處理。

壓水堆核電站1000 MW反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)通常由三條環(huán)路組成，每條環(huán)路包括一臺蒸汽發(fā)生器、一臺主泵和將這些設(shè)備與反應(yīng)堆壓力容器連接起來的反應(yīng)堆冷卻劑管道（簡稱：主管道），設(shè)計(jì)壓力為17.23 MPa（絕對壓力），設(shè)計(jì)溫度為343℃，材質(zhì)為Z3CN20-09M，采用離心澆鑄成形。為滿足核電站運(yùn)行的水化學(xué)監(jiān)測取樣要求，每個(gè)管段上設(shè)置有取樣管接管座，材質(zhì)為Z2CND18-12控氮不銹鋼，采用鍛造成形，與主管道之間采用焊接連接，焊材材質(zhì)為ER316L，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 取樣管接管座結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure scheme of the sampling connection

取樣接管座面外徑尺寸為φ75 mm，取樣管規(guī)格為φ22.5 mm×6.5 mm，頭部尺寸為φ60.0 mm×25.5 mm，取樣管插入管座的深度為147.5 mm。

據(jù)現(xiàn)場了解，該單位之前已多次出現(xiàn)過出廠水壓試驗(yàn)后滲透檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該部位線性顯示超標(biāo)現(xiàn)象，為共性問題。試驗(yàn)分析這些線性顯示定性為裂紋，裂紋位于主管道取樣管焊縫焊趾邊緣部位，水壓試驗(yàn)前堵頭安裝位置和試驗(yàn)后出現(xiàn)裂紋的位置如圖2所示。雖然之前的案例均已返修處理予以消缺，產(chǎn)品均已出廠交付核電站使用，但同部位重復(fù)出現(xiàn)滲透檢驗(yàn)超標(biāo)的線性顯示現(xiàn)象，說明一直未能真正找到開裂的根本原因，給產(chǎn)品制造質(zhì)量和運(yùn)行安全帶來很大隱患。

圖2 堵頭位置及裂紋位置Fig.2 The position diagram of plug and crack

2 裂紋的主要特征

在該案例中，宏觀上線性顯示主要集中在環(huán)向相對的兩個(gè)區(qū)域，相對取樣管軸線呈對稱分布，兩區(qū)域中心連線相對主管道軸線偏轉(zhuǎn)一定角度，如圖3所示。密集斷續(xù)顯示或連續(xù)線性顯示位于焊縫與取樣管的焊趾部位熔合線附近，環(huán)向長度分別為30 mm和41 mm，附近母材及焊縫外觀無明顯的塑性變形。經(jīng)分析，滲透檢驗(yàn)的可見線性顯示為裂紋。

圖3 焊趾處的PT線性顯示Fig.3 PT linear indications at weld toe

圖4中金相分析表明，焊縫、焊接熱影響區(qū)、母材金相組織未見異常，未發(fā)現(xiàn)晶粒粗大及結(jié)晶裂紋、高溫低塑性裂紋、未熔合、夾渣等缺陷。

圖4 取樣管焊縫焊趾部位微觀組織Fig.4 Microstructures of the weld toe of the sampling tube

裂紋形貌如圖5所示，其中裂紋均起源于焊趾處外表面，為多點(diǎn)萌生并平行地沿徑向往內(nèi)壁擴(kuò)展。裂紋主要呈穿晶狀，主裂紋穿越焊縫、熱影響區(qū)、母材。

圖5 裂紋形貌Fig.5 Crack morphology

采用機(jī)械方法將主裂紋打開，獲得的斷口形貌如圖6所示。由圖6可知，斷口表面較平坦，裂紋起裂于外表面焊趾附近的機(jī)加工溝槽，沿與外表面垂直方向向內(nèi)擴(kuò)展，高倍觀察擴(kuò)展區(qū)存在清晰可見的疲勞輝紋。

圖6 裂紋斷口形貌Fig.6 Crack fracture morphology

3 制造加工過程及材質(zhì)核查

制造時(shí)，將取樣管插入管座，然后進(jìn)行插套管的環(huán)縫焊接，為四層（七道）手工氬弧焊焊接成形，焊后表面打磨，進(jìn)行滲透檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格則安裝堵頭。將取樣管頭部和堵頭焊接，密封完成后與主管道本體一起進(jìn)行水壓試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)完成后，先機(jī)加工去除堵頭，然后進(jìn)行滲透檢驗(yàn)，如無缺陷，則產(chǎn)品合格。主要工藝流程為：組配—焊接—檢驗(yàn)—堵頭安裝—水壓試驗(yàn)—去除堵頭—滲透檢驗(yàn)—包裝發(fā)運(yùn)。

根據(jù)走訪和核查情況，主管道及取樣管的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合設(shè)計(jì)要求，焊接材料及焊接工藝無異常，焊縫、熱影響區(qū)、母材等區(qū)域的金相組織均正常[1—3]。產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，首次滲透檢驗(yàn)、水壓試驗(yàn)均未見異常，水壓試驗(yàn)后二次滲透探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)焊趾附近出現(xiàn)裂紋。

4 開裂原因分析

4.1 同類開裂事件原因分析報(bào)告上的結(jié)論意見

相似的問題在該制造單位已經(jīng)發(fā)生數(shù)次，當(dāng)時(shí)的原因分析報(bào)告顯示，制造加工過程及材質(zhì)情況均相同。在裂紋特征上，唯一不同的是斷口分析微觀特征證據(jù)為滑移線，與該次證據(jù)的疲勞輝紋雖在形態(tài)上有著某些相似性，但兩者所揭示的金屬斷裂機(jī)理卻大不相同。

以前原因分析的關(guān)鍵微觀證據(jù)是基于滑移線，因此斷裂分析角度和路徑都較寬泛，每個(gè)可能的分析路徑又缺乏證據(jù)支持，分析結(jié)論具有不確定性，未能給出明確的結(jié)論，僅推斷到可能的原因即止步不前，所列原因包括：母材存在夾雜物；取樣管裝配時(shí)插入過深，取樣管頭部下底面至管座頂面間距偏小，導(dǎo)致焊趾處應(yīng)力集中加大；角焊縫尺寸偏大，增加了焊接殘余應(yīng)力；焊趾處存在打磨產(chǎn)生的凹坑和劃痕，為裂源；水壓試驗(yàn)過程中變化的壓力載荷是導(dǎo)致裂紋開裂的應(yīng)力來源。

4.2 對原因分析報(bào)告結(jié)論的商榷意見

之前的原因分析報(bào)告列出的五項(xiàng)原因，歸納起來均圍繞著材質(zhì)和應(yīng)力角度展開，以猜測性推斷為主，缺乏有效證據(jù)支持，其結(jié)論值得商榷。

1）關(guān)于母材存在夾雜物。報(bào)告未提供夾雜物和裂紋有關(guān)聯(lián)的支持性證據(jù)，也未明確母材存在的夾雜物是否已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)規(guī)定。材料存在著小級別夾雜物為正常狀況，但夾雜物存在和因夾雜物導(dǎo)致的開裂之間，還存在很大的裂紋形成和擴(kuò)展的路徑空間，不能簡單地推斷其為開裂原因。一般而言，夾雜物并未密集分布在高應(yīng)力部位或位于裂紋擴(kuò)展路徑上，其對金屬構(gòu)件開裂的貢獻(xiàn)效應(yīng)實(shí)際很小。

2）關(guān)于裝配質(zhì)量欠佳增大了應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力。報(bào)告未提供裝配不符合加工圖紙規(guī)定的證據(jù)，實(shí)際工程中構(gòu)件不可能完全沒有應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力。在焊接工藝評定已經(jīng)合格的前提下，使用低碳奧氏體不銹鋼材質(zhì)的主管道和取樣管，結(jié)構(gòu)因素造就的應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力一般沿整個(gè)焊縫分布，這樣狀態(tài)的應(yīng)力基本不足以造成取樣管焊縫被對稱地撕裂。又因奧氏體不銹鋼的高韌特性，即使表面產(chǎn)生了少量微裂紋，也因開裂而釋放了應(yīng)力，裂紋前沿達(dá)成新的應(yīng)力平衡，裂紋較大程度地喪失了持續(xù)擴(kuò)展的動力，致使其裂紋長度和深度都十分有限，與宏觀觀察存在的裂紋尺寸特征不相符。

3）關(guān)于水壓試驗(yàn)過程中變化的壓力載荷是導(dǎo)致裂紋開裂的應(yīng)力來源。主管道設(shè)計(jì)壓力為17.23 MPa，制造廠按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)，符合規(guī)范規(guī)定。該次制造不符合項(xiàng)的處理中嘗試按31.7 MPa壓力進(jìn)行了初步核算，結(jié)果顯示軸向拉應(yīng)力最大值僅為6.88 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于取樣管材質(zhì)的屈服強(qiáng)度，可見水壓試驗(yàn)過程中變化的壓力載荷會導(dǎo)致裂紋開裂的可能性是微乎其微。

4.3 該案例的裂紋定性分析

看到出現(xiàn)在焊縫附近的裂紋，一般首先會聯(lián)想到焊致開裂，之前的報(bào)告對此已予以排除，報(bào)告的分析過程提供了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，并未找到關(guān)聯(lián)證據(jù)。該案例的裂紋具有多點(diǎn)起源、裂紋起源于外表面和并未位于焊致薄弱部位、裂紋為穿晶裂紋和并未僅沿著焊致材質(zhì)薄弱路徑擴(kuò)展等特征，與由焊接工藝原因引起的裂紋一般特征不相符合，可以排除是焊接質(zhì)量致裂的推測[4]。

對于奧氏體不銹鋼，理論上不存在鐵素體鋼具有的延遲開裂機(jī)制，可以排除焊接質(zhì)量致裂[5]。焊接后進(jìn)行的滲透檢驗(yàn)是合格的，也證明了這一點(diǎn)。共性事件多次重現(xiàn)使得各方關(guān)注度極高，制造廠質(zhì)保控制體系運(yùn)行有效，且材質(zhì)和工藝控制均在有效范圍，焊接試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果均有效，從管理角度完全可以排除焊接質(zhì)量致裂的假設(shè)狀況。

裂紋所具有的多點(diǎn)起源，裂紋起源于外表面應(yīng)力集中部位，裂紋分布在環(huán)向相對區(qū)域、沿主應(yīng)力垂直方向，裂紋沿著徑向往內(nèi)部穿晶擴(kuò)展等特征，在金屬斷裂理論上均趨向于歸結(jié)為疲勞失效，結(jié)合掃描電鏡分析展示的微觀疲勞輝紋特征，可得出取樣管開裂機(jī)理是疲勞失效所致的初步結(jié)論[6]。

4.4 交變應(yīng)力來源分析

焊后滲透檢驗(yàn)合格，而水壓試驗(yàn)后再次滲透檢驗(yàn)則發(fā)現(xiàn)開裂，前面又排除了水壓試驗(yàn)致裂。根據(jù)制造工藝流程，取樣管開裂可能出現(xiàn)于堵頭機(jī)加工工序。

水壓試驗(yàn)后機(jī)加工去除堵頭的斷面銑削如圖7所示。水壓試驗(yàn)后，為了將堵頭去除，需要在距取樣管上端面10 mm深度處銑削去除取樣管和堵頭的密封焊連接體，切削量為10 mm深。

機(jī)加工選用的是新型面銑刀，因缺乏切削力數(shù)據(jù)，只能用反證方式驗(yàn)證計(jì)算：假定銑削刀頭施加的切削力為7000 N，距切削點(diǎn)約80 mm的焊縫部位，僅軸向拉應(yīng)力即可達(dá)到517 MPa，這已經(jīng)是材料的抗拉強(qiáng)度極限，再綜合考慮推進(jìn)力、焊接殘余拉應(yīng)力、幾何不連續(xù)區(qū)應(yīng)力集中，銑削加工中一個(gè)較小的切削力足以導(dǎo)致微區(qū)開裂。從制造經(jīng)驗(yàn)看，銑削刀頭進(jìn)行面銑，7000 N切削力并不算很大，達(dá)到并不難，因此推斷銑削刀頭面銑取樣管時(shí)，由于等效與較大的彎矩作用，吃刀瞬時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力已處于較高水平，若再疊加加工過程中震動產(chǎn)生的交變應(yīng)力，制造階段出現(xiàn)疲勞損傷就不難解釋。

圖7 堵頭去除工藝Fig.7 Schematic diagram of plug removal process

銑削加工過程中，隨著銑刀盤的行進(jìn)，刀盤切削力和推進(jìn)力的合力偏離基軸一定角度出現(xiàn)最大值，并且在疊加吃刀瞬時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力的部位產(chǎn)生最大拉、壓應(yīng)力。由于推進(jìn)力基本穩(wěn)定不變，刀盤旋轉(zhuǎn)一周，極大值的切削力會由小變大再變小，最終的合力造成最大拉應(yīng)力點(diǎn)在180°～270°區(qū)間交替擺動。在制造現(xiàn)場了解到，堵頭切削量為10 mm，銑削每次吃刀深度為0.2～0.3 mm，需要反復(fù)多次銑削才能去除堵頭。當(dāng)反方向銑削時(shí)，切削方向不變，推進(jìn)力不變，刀盤旋轉(zhuǎn)一周中極大值的切削力會由小變大再變小，最終的合力造成最大拉應(yīng)力點(diǎn)在0°～90°區(qū)間交替擺動。

在銑削加工過程中，隨著銑刀盤的行進(jìn)，刀盤每觸及工件初始吃刀點(diǎn)產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，相對的背刀側(cè)則產(chǎn)生最大壓應(yīng)力，銑除后原吃刀點(diǎn)釋放回彈造成最大壓應(yīng)力，相對的背刀側(cè)則因釋放回彈變成最大拉應(yīng)力，完成一個(gè)交變應(yīng)力循環(huán)。奧氏體不銹鋼屬面心立方結(jié)構(gòu)，晶內(nèi)易發(fā)生位錯(cuò)滑移，材料的抗疲勞損傷能力相對較弱，即使不存在原始缺陷，在應(yīng)力的作用下也較易因滑移萌生初始裂紋，面臨這樣的循環(huán)交變應(yīng)力，再疊加相對高的焊接殘余應(yīng)力以及幾何不連續(xù)區(qū)域的應(yīng)力集中，一個(gè)較小的刀頭切向力就可以在圖7中0°～90°及180°～270°之間區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋。

綜上所述，來回往復(fù)多次的銑削，造成在0°～90°及180°～270°之間持續(xù)萌生微裂紋，反復(fù)出現(xiàn)，不斷沿徑向向內(nèi)擴(kuò)展，最終形成宏觀疲勞裂紋。

5 結(jié)語

該取樣管焊縫焊趾部位多源裂紋不是水壓試驗(yàn)所產(chǎn)生，而是疲勞裂紋。疲勞應(yīng)力主要來自水壓試驗(yàn)后取樣管堵頭切除加工工序，銑削不良是引發(fā)疲勞裂紋的關(guān)鍵因素。

制造階段應(yīng)保證合格產(chǎn)品交付工程現(xiàn)場，每個(gè)工序都不能大意，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接工藝，保證角接環(huán)縫的型面質(zhì)量，圓滑過渡，盡量減少存在形狀突變；應(yīng)磨除已存較深的加工溝槽，改善應(yīng)力集中狀況；加強(qiáng)加工前的準(zhǔn)備，對角接環(huán)縫附近區(qū)域采取穩(wěn)固措施后再進(jìn)行加工，以降低加工操作的瞬態(tài)應(yīng)力水平；在取樣管堵頭切除加工時(shí)，應(yīng)優(yōu)選刀頭，避免高切削力，并嚴(yán)格控制操作手法，減少發(fā)生搖擺、扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，盡量減小疲勞載荷，施治根除水壓試驗(yàn)后由于加工操作導(dǎo)致的開裂。

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Case Analysis of Fatigue Cracking on the Weld of Sampling Connection of Main Coolant Lines

LIANG Xia-xiang，DUAN Yuan-gang
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd，NI Equipment Design Dept，Shenzhen 518124，China）

Objective According to unacceptable linear indications by liquid penetrant examination on the weld of sampling connection of main coolant lines after hydrostatic test during manufacturing,the failure causes were analyzed, the formation and propagation mechanism for rarely seen fatigue cracks during manufacturing was explored,and the alternating stress source of fatigue was discussed.Methods In the paper,macroscopic analysis,optical microscope and scanning electron microscope were used.Results The results showed that the material quality was acceptable and the linear indication was caused by fatigue cracks.Conclusion The multi-source crack in the weld toe of the sampling pipe was not caused by hydrostatic test,but was fatigue cracking resulted from the excessive alternating current load near the weld toe of the sampling pipe caused by improper cutting during the removal of the plug via mechanical machining after the hydrostatic test.The fatigue stress came from the cutting process of plug after the hydrostatic test.Unreasonable milling was the key factor leading to fatigue crack.

main coolant lines；hydrostatic test；weld toe；fatigue cracking

10.7643/issn.1672-9242.2016.02.018

TJ91

：A

1672－9242（2016）02－0098-05

2015-10-15；

2015-11-11

Received：2015-10-15；Revised：2015-11-11

梁夏香（1963—），女，高級工程師，主要研究方向?yàn)楹穗娬竞藣u主設(shè)備設(shè)計(jì)。

Biography：LIANG Xia-xiang（1963—），F(xiàn)emale，Senior engineer，Research focus：design of nuclear island main equipment.