核電站主蒸汽管道阻尼器延長桿的斷裂原因

劉獻良, 苗 龍, 張明聰, 李 燕, 王 昭

(1.蘇州熱工研究院有限公司， 蘇州 215004; 2.遼寧紅沿河核電有限公司， 大連 116001)

液壓阻尼器可以保護管道系統和其他設備免受振動損傷，其工作原理是在管道存在較小幅度的晃動或振動時，阻尼器跟著管道一起產生位移，且只有很小的摩擦阻力，因此對管道晃動或振動有一定的阻尼耗能作用；當管道振動速度達到一定值時阻尼器鎖死，變成“剛性桿”，阻止管道沿阻尼器軸線方向的大幅度振動，從而對管道產生一定的保護作用[1-2]。阻尼器結構示意圖如圖1所示。為滿足空間尺寸要求， 有的阻尼器帶有不同長度的延長桿，安裝在圖1中油腔1的內部，其長度可調整范圍為±35 mm。

2018年5月，某核電站2號機組主蒸汽系統(VVP)在運行期間其管道阻尼器延長桿斷裂。由于失去了阻尼器對管道的限制作用，管道有可能會因振動幅度過大導致破裂而泄漏，進而導致一回路過冷，向堆內引入大量正反應性，加快反應堆的反應速率，反應堆的功率上升，溫度升高，導致堆芯過熱，最終造成機組超功率或意外臨界。因此，保證主蒸汽管道阻尼器的質量對于系統的安全運行具有至關重要的作用。為查明阻尼器延長桿斷裂的原因，筆者對其進行了理化檢驗與分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂的阻尼器延長桿宏觀形貌如圖2所示，可見斷裂位置位于延長桿與萬向節連接處的根部，斷口較為平齊，無明顯的宏觀塑性變形。通過斷口表面的顏色變化及放射線特征，可以判斷裂紋啟源于斷口邊緣，有較多的啟裂臺階，且為多源啟裂；裂紋擴展區有明顯的貝紋線；終斷區位于斷口邊緣變形量相對較大的位置，且終斷區表面較為粗糙[3-4]。

圖1 阻尼器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of damper

圖2 斷裂延長桿宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fractured extension rod: a) overall morphology; b) fracture morphology on one side; c) fracture morphology on the other side

1.2 化學成分分析

在延長桿斷口附近取樣，采用OPTIMA 2100DV型全譜直讀等離子發射光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示。由于產品說明書未注明斷裂延長桿材料牌號，通過查閱GB/T 3077-2015《合金結構鋼》發現斷裂延長桿的化學成分符合該標準對40Cr鋼的化學成分要求，可見此斷裂延長桿的牌號應為(或等同于)40Cr鋼。

表1 斷裂延長桿化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of fractured extension rod (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

在延長桿斷口附近縱截面和橫截面分別截取金相試樣。圖3為試樣經浸蝕后的宏觀形貌。可見試樣組織出現了明顯的分層，近中心的內層組織發暗，外層組織則顏色發亮，且外層晶粒異常粗大。

圖3 斷裂延長桿試樣浸蝕后的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of samples of fractured extension rod after etching: a) longitudinal section; b) cross section

圖4為斷口附近橫截面試樣的顯微組織形貌。可見橫截面試樣心部組織為回火索氏體+沿晶析出的網狀先共析鐵素體+少量殘余奧氏體+魏氏組織；外層組織為沿晶析出的先共析鐵素體+少量由晶界向晶內生長的無碳貝氏體+晶內針狀鐵素體，外層的顯微組織與碳鋼和低合金鋼焊縫的組織相似。

圖5為斷口附近縱截面試樣的顯微組織形貌。可見斷裂件整體顯微組織均勻性較差，不同位置呈現出多種顯微組織形貌，包括圖5a)，d)所示的回火索氏體+沿縱向呈條帶狀分布的殘余奧氏體+沿晶

圖4 橫截面試樣顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of cross section sample: a) near central area; b) coarse-grained area near surface

圖5 縱截面試樣不同位置的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology at different positions of longitudinal section sample： a)-c) low power morphology 1-3; d)-f) high power morphology corresponding to fig.5a)-c)

圖6 螺紋處顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of screw thread： a) low power morphology of screw thread; b) low power morphology of microcrack at the joint of screw thread and polished rod; c) high power morphology of microcrack at the joint of screw thread and polished rod

界析出的先共析鐵素體、圖5b)，e)所示的回火索氏體+塊狀鐵素體、圖5c)，f)所示的回火索氏體+沿晶析出的先共析鐵素體+魏氏組織等。

圖6為縱截面試樣螺紋處顯微組織形貌。可見螺紋的顯微組織形貌與碳鋼和低合金鋼焊縫的較為相似，且螺紋表面不平整，如圖6a)所示。在螺紋段與斷裂的光桿段交界處發現一條裂紋，裂紋較為平直，呈穿晶擴展形貌，如圖6b)和圖6c)所示。

1.4 非金屬夾雜物分析

對縱截面試樣拋光后進行觀察，如圖7所示，可見非金屬夾雜物含量較少，只有少量分散的點狀夾雜物，依據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對夾雜物進行評級，評級結果為D0.5級。

圖7 縱截面試樣非金屬夾雜物形貌Fig.7 Morphology of non-metallic inclusions of longitudinal section sample

1.5 力學性能測試

在斷裂延長桿上切取φ10 mm的棒狀拉伸試樣，采用AG-IC型100 kN的萬能材料試驗機進行室溫拉伸試驗，結果如表2所示。

表2 斷裂延長桿力學性能測試結果Tab.2 Mechanical property test results of fractured extension rod

可見斷后伸長率A和斷面收縮率Z滿足GB/T 3077-2015對40Cr調質鋼性能的要求，而抗拉強度Rm和屈服強度Rp0.2則低于該標準規定的下限值，不滿足標準要求。40Cr鋼處于調質態時具有較高的綜合力學性能，因此其使用狀態一般為調質態[5-6]。

1.6 斷口分析

取圖2c)所示斷口置于掃描電鏡(SEM)下觀察，其觀察位置及形貌如圖8所示。可見斷口裂紋源區(位置A)呈臺階狀，為多源啟裂，未發現夾雜等缺陷；裂紋擴展區(位置B)有明顯的疲勞條帶；終斷區(位置C)呈典型的韌窩形貌。

圖8 斷口SEM形貌Fig.8 SEM morphology of fracture: a) overall morphology; b) location A; c) location B; d) location C

2 分析與討論

根據化學成分分析結果判斷，斷裂延長桿的牌號應為(或等同于)40Cr鋼。延長桿截面的顯微組織在不同區域存在明顯不同，外層螺紋附近區域顯微組織為粗大的焊縫組織形貌，近心部則出現回火索氏體、沿晶析出的先共析鐵素體、殘余奧氏體、魏氏組織及塊狀鐵素體等多種組織形態。據電廠反饋，該阻尼器自首次安裝后，經歷過多次螺紋修復，且修復后一直在服役。由此可見，斷裂延長桿表層螺紋為焊接修復后的組織形態，而心部基體組織為焊接熱影響區的不均勻組織。延長桿經多次斷裂修復，在使用過程中存在較高的應力水平。

該延長桿斷口較為平齊，無明顯的宏觀塑性變形。斷口裂紋擴展區宏觀呈明顯的貝紋線，微觀呈明顯的疲勞條帶，上述特征均為疲勞斷口的典型特征[7-9]，可見延長桿的斷裂模式為疲勞斷裂。通過斷口宏觀觀察及掃描電鏡分析可知斷口呈多源啟裂，且金相檢驗中發現，螺紋與光桿連接處存在一條穿晶微裂紋，表明該延長桿發生疲勞斷裂的應力相對較高[10]。

該延長桿縱截面非金屬夾雜物含量較低，評級結果為D0.5級，對疲勞斷裂的影響較小。通過力學性能試驗可知試樣斷后伸長率和斷面收縮率可滿足GB/T 3077-2015對40Cr調質鋼性能的要求，而抗拉強度和屈服強度則低于該標準規定的下限值，不滿足標準要求。在一定的強度范圍內，金屬材料抗拉強度和疲勞強度存在一定的正比關系，抗拉強度越低，材料的疲勞強度也越低[11-12]。

3 結論及建議

該阻尼器延長桿的斷裂為高應力作用下的疲勞斷裂。斷裂延長桿表層螺紋經多次修復后心部基體組織不均勻，且在使用過程中存在較高的應力水平是導致阻尼器延長桿疲勞斷裂的主要原因，強度偏低也在一定程度上促進了疲勞裂紋的形成和擴展。

建議加強對阻尼器螺紋質量的監測，以保證螺紋可承受運行過程中的高應力；對阻尼器的選型進行校核，確保其類型滿足工況需求；對管道振動情況進行排查，避免管道出現振動幅度過大的情況；對其余同廠家阻尼器延長桿的材料進行抽檢，性能不達標的應及時更換。