核電廠主管道支管與閥門接管焊縫失效原因分析

李遵柱 張笳偉

中核工程咨詢有限公司 北京 10007 1

美國和法國在核電站主回路部件的建造和更換中采用了窄間隙自動焊接技術(shù)，該技術(shù)的高質(zhì)量是基于其對邊緣尺寸的高精度和Haggis的要求。國內(nèi)核電站自動焊組的間隙要求從1- 4mm增加到不超過1mm，偏移量不超過1.5mm。這一要求對于長約7米、壁厚為90毫米的主管道的現(xiàn)場安裝來說幾乎是苛刻的。在我國核電建設的實踐中，由于壓力容器安裝位置的偏差，導致主管道組超差，進而磨溝。此外，理論研究表明，即使在較高的制造精度水平下，B組的成功概率也不是100%。

1 測試過程和結(jié)果

因為管中的介質(zhì)是放射性水，水、蒸汽和氣體含有硼，介質(zhì)溫度為350°C，是15.5MPA的壓力，樣例激活，放射性的因此，分析熱室進行檢測[1]。

1.1 宏觀觀察

從宏觀上看，失效焊縫為管座縮口與主管閥門接頭縮口之間的對接焊縫。閥嘴外徑24mm，內(nèi)徑12mm，端部18mm，3mm，以便當場與主管支管口連接。支管座尺寸分別為40mm和14mm，端部尺寸分別為18mm和3mm。支管安裝在主管底座上，頸部的焊縫是支管最薄弱的部分。裂紋長度為23.6mm，約為圓周的39.5%，裂紋從中間向兩端延伸。

1.2 裂紋形貌觀察及成分分析

從管道座頸和閥門頸處取出泄漏樣品時，表面劑量率約為60SV / h。為了便于對外觀和結(jié)構(gòu)的進一步分析，環(huán)形試樣沿圓周分為4個部分，其中1個沒有裂紋，2個有裂紋尖端，1個為貫通裂紋。將裂紋一側(cè)的尖端切斷，觀察其表面形貌。利用掃描電鏡對裂紋擴展區(qū)域進行局部擴展，確定了裂紋的性質(zhì)、擴展方向和裂紋萌生位置。由于根閥前噴嘴內(nèi)壁裂紋長度較長，說明裂紋從內(nèi)壁延伸至外壁。典型的疲勞帶為高周疲勞裂紋。為了找到裂紋源，在裂紋形貌上對靠近管壁的部分進行了放大處理。裂紋從內(nèi)表面延伸到外表面。由于焊縫根部應力集中、結(jié)構(gòu)復雜、化學成分復雜，裂紋萌生位置不單一[2]。利用掃描電鏡對裂紋試樣進行了觀察，并通過元素分析對黑色和白色區(qū)域的化學成分進行了分析。黑點是表面c的沉積，白點是氧化鐵的腐蝕產(chǎn)物。氧化鐵的腐蝕產(chǎn)物是由管道內(nèi)的水或蒸汽腐蝕物質(zhì)在裂紋擴展過程中引起的。

1.3 金相結(jié)構(gòu)和粒度分析

對焊接接頭的縫隙區(qū)和中心管和焊縫的金相照片顯示，中心管的基材是一個典型的316不銹鋼焊接是細粒奧氏體+鐵素體奧氏體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。隨機選取一段180mm的線段，放大500倍。測量網(wǎng)格的分界點最多為20，最少為18。公式（1）計算的G分別為8.304和8。金相照片和晶粒尺寸計算結(jié)果無異常[3]。

1.4 顯微硬度測量

對焊接接頭無裂紋區(qū)焊縫、噴嘴和管架的顯微硬度進行測量。根閥接頭和母材的平均硬度為300HV，焊縫的平均硬度為246HV。接頭各部位硬度平衡，無異常硬度。

2 分析討論

2.1 受力分析

采用abaqus軟件進行構(gòu)件應力分析。管子內(nèi)徑12mm，外徑18mm。由于異徑管的右端與立管相連，所以使用abaqus的Tie命令將異徑管的右端與剛性異徑管相連。在變徑管左側(cè)增加閥重17kg，模擬實際工況，增加應力15.5MPA，模擬管內(nèi)水壓。網(wǎng)格劃分采用20結(jié)點六面體簡化單元。模擬結(jié)果表明，斷裂帶的上邊緣存在軸向拉應力，下邊緣存在軸向壓應力。結(jié)合管道內(nèi)部壓力的影響，管道內(nèi)部的拉應力大于管道外部的拉應力。由于根閥前焊縫的硬度低于母材，所以焊縫是結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分[4]。

2.2 裂紋萌生與擴展

根據(jù)裂紋形貌分析，裂紋萌生是疲勞引起的。結(jié)合力的分析，閥門的振動是由于流體通過閥門時流動狀態(tài)的變化所產(chǎn)生的脈沖，使閥門承受一定頻率的拉拔應力。由于內(nèi)部壓力較大，根部閥前噴嘴內(nèi)壁應力集中，導致焊縫根部出現(xiàn)疲勞裂紋。由于流體的相互作用，裂紋逐漸演化為腐蝕疲勞裂紋。裂縫截面如圖8所示。可以看出，裂紋呈折線狀，裂紋之間存在交叉、連接和分叉[5-6]。

3 結(jié)語

（1）閥門的振動是由管道內(nèi)介質(zhì)流動產(chǎn)生的脈沖引起的，使得管道薄弱部位的焊縫產(chǎn)生一定頻率的張拉應力。同時，內(nèi)部介質(zhì)的內(nèi)部壓力使管道內(nèi)壁的應力大于外壁的應力。

（2）根閥前噴嘴的裂紋來源為管道疲勞，在內(nèi)部流體作用下，管道疲勞演變?yōu)楦g疲勞裂紋。只要產(chǎn)生疲勞裂紋源，焊縫的腐蝕疲勞裂紋就不可避免。通過改變管道結(jié)構(gòu)、降低管道振動、對管道內(nèi)壁進行適當?shù)谋砻嫣幚淼却胧﹣矸乐沽鸭y的產(chǎn)生。