核電廠高壓缸抽汽管線疏水管道焊縫泄漏原因

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(國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233)

0 引 言

某核電廠自2007年運行以來已發生多起高壓缸抽汽管線疏水管道泄漏事故，泄漏通常發生在疏水管道氣動調節閥后的第一個或第二個彎頭焊縫上。該核電廠2號機組在運行期間其疏水管道中第二個彎頭出現漏水現象，經滲透檢測后發現，泄漏的位置在承插焊縫上。彎頭與其所連接直管段材料均為304L不銹鋼，彎頭的公稱直徑為50 mm，直管段的尺寸為φ60.3 mm×5.54 mm；焊接方式為承插焊，采用直徑2.5 mm的H03Cr21Ni9焊絲，直流正接，焊接電流為143 A，電壓為12 V。管線中運行的介質為汽液兩相流，溫度約為150 ℃，閥前壓力為3.132 MPa，氣動調節閥開啟頻率為每10 min 8～9次，通過氣動調節閥的啟閉進行間歇性疏水。為了找到泄漏原因，作者對該泄漏焊縫進行了失效分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

失效焊縫在疏水管道中的位置及宏觀形貌如圖1所示，泄漏位置位于直管與彎頭的焊縫上，該彎頭為45°彎頭。

由2(a)可知，在承插焊縫中存在一條長約4 cm的裂紋，同時在裂紋下方的管道上有明顯的泄漏痕跡。沿著圖2(b)所示的取樣區域對失效部位進行切割，顯微組織分析區域如圖2(c)所示。由圖2(d)可知，裂紋已貫穿整個焊縫，且由內向外(焊根至焊趾)裂紋的寬度逐漸減小。

圖1 失效焊縫在疏水管道中的位置及宏觀形貌Fig.1 Location (a) and macroscopic morphology (b) of the failure weld in drain pipe

圖2 失效焊縫的整體形貌、取樣位置、顯微組織觀察區域和裂紋形貌Fig.2 Overall morphology (a), sampling position (b), observation area of microstructure (c) and morphology of fracture (d) of the failure weld

1.2 顯微組織

分別在如圖2(c)所示的直管、彎頭和焊縫處截取金相試樣，經磨制、拋光，用體積分數10%的硫酸銅鹽酸溶液腐蝕后，在蔡司Axio Imager A2m型光學顯微鏡上觀察顯微組織。由圖3可知：直管的顯微組織為孿晶奧氏體，沿管道軸線方向存在明顯的軋制流線；彎頭的顯微組織為孿晶奧氏體+少量骨骼狀的δ鐵素體；焊縫組織是由奧氏體+殘留δ鐵素體組成的柱狀晶組織。綜上可知，直管、彎頭以及焊縫的顯微組織均未發現任何異常。

1.3 斷口形貌

將圖2(c)所示的試樣沿表面裂紋斷開，觀察斷口宏觀形貌。由圖4可知：裂紋已貫穿焊縫表面，焊縫斷口存在氧化現象，且由內向外(焊根至焊趾)氧化現象逐漸減弱；焊縫外側邊緣光亮，無明顯氧化現象，焊縫外側為瞬斷區。由此可見，焊縫處的裂紋由焊根向焊趾擴展，這與宏觀形貌的分析結果一致。

采用JSM 6700型掃描電鏡觀察圖4(c)中圓圈所示區域的微觀形貌。由圖5可知：在焊根位置處存在多處疲勞裂紋源，呈多源疲勞現象[1]；中部為疲勞裂紋擴展區，裂紋沿著疲勞擴展線逐漸向焊縫外側擴展；焊縫外側為瞬斷區，這是由于當裂紋擴展到該區域時，斷口的有效受力面積減小，單位面積承受的載荷過大，導致瞬間斷裂。由此可知，局部疲勞損傷是造成焊縫開裂的主要原因[2]。

圖3 直管、彎頭以及焊縫的顯微組織Fig.3 Microstructures of the straight pipe (a), elbow (b) and weld (c)

圖4 失效焊縫斷口的宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of fracture of the failure weld: (a) surface cracks on the weld; (b) fracture at the straight pipe side and (c) fracture at the elbow side cleaned by the ultrasonic alcohol liquid

圖5 失效焊縫斷口的微觀形貌Fig.5 Microscopic morphology of fracture of the failure weld: (a) inner side; (b) middle area and (c) outer side

1.4 運行振動參數

采用Fluke 805型加速度振動測量儀測失效焊縫所在管道在水平以及垂直方向上的振動速度峰值。測試結果表明：管道在穩態下的振動速度峰值在1.4～1.6 mm·s-1，氣動疏水閥開啟瞬間的振動速度峰值在2.0～2.6 mm·s-1，這滿足DL/T 1103-2009中規定的振動速度峰值應小于21.3 mm·s-1的要求。由此可知，管道振動對其疲勞失效的影響較小。

1.5 運行溫度與應力

在管道運行期間，采用光纖原位應變測量方法，通過在失效焊縫前后管道各布置一圈光纖傳感器進行溫度與應變測試。由測試結果可知：失效焊縫前后管道的溫度變化分別約為70，40 ℃，應變變化分別為1 630×10-6和1 230×10-6，由式(1)計算出的應力分別為317.85，229.00 MPa。

σ=Eε

(1)

式中：σ為應力；ε為應變；E為彈性模量，1.95×103MPa。

采用Charon SEIFERT型 X射線衍射應力分析儀測失效焊縫處的殘余應力，結果表明，該焊縫切向方向上存在較大拉應力，最高可達204 MPa。

2 失效原因分析

上述檢測結果表明：直管、彎頭以及承插焊縫的顯微組織均正常；失效焊縫所在管道的振動速度峰值在規定范圍內，管道振動對其疲勞失效的影響較小；局部疲勞損傷是造成焊縫開裂的主要原因。

當氣動調節閥開啟后，流體的瞬時沖擊使管道產生較大的應力；當氣動調節閥關閉后，管道內不存在流體沖擊，在管道本身重力及其剛性約束的作用下，管道應力降低到最小值。隨著氣動調節閥的關閉與開啟，管道上產生交變應力。焊縫是管道的薄弱部位，對疲勞工況非常敏感，在交變應力作用下，其焊根處產生疲勞源。由奧氏體不銹鋼的S-N曲線可知，當應力循環次數大于106周次，應力大于奧氏體不銹鋼的疲勞強度(194 MPa)[3-4]時，奧氏體不銹鋼管道會出現疲勞現象。由上述試驗結果可知，失效焊縫處的交變應力均大于194 MPa，且應力循環次數大于106周次，超過其疲勞強度，周而復始，從而導致焊縫的疲勞開裂[5]。同時，焊縫中存在較大的殘余拉應力促進了裂紋的擴展。

3 結論與措施

(1) 焊縫失效的主要原因為氣動調節閥的間歇性開啟與關閉造成焊縫中產生較大的交變應力，且應力超過了焊縫的疲勞強度，導致其疲勞開裂，同時焊縫中存在的殘余拉應力促進了裂紋的擴展。

(2) 將間歇式疏水改成連續疏水，并在氣動調節閥回路上外加一條疏水管道旁路，消除由氣動調節閥的啟閉而引起的流體沖擊。采用該措施對現場管道進行改造后，運行2 a多以來未再發現類似焊縫漏水事故。

參考文獻：

[1] 楊新岐，張艷新，霍立興，等. 焊接接頭疲勞評定的局部法研究現狀[J]. 焊接學報，2003，24(3)：82-86.

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[3] 陳俊梅. 局部法在焊接接頭疲勞強度評定中的應用研究[D]. 天津：天津大學，2000：90-93.

[4] 拉達伊. 焊接結構疲勞強度[M]. 北京：機械工業出版社，1994：14-17.

[5] 霍立興. 焊接結構的斷裂行為與評定[M]. 北京：機械工業出版社，2000：221-352.