核電廠消防水逆止閥閥體斷裂原因分析

李邱達 邊春華 文 杰 劉洪群

（1. 中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300；2. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

核電廠消防水系統用于保障人身和設備安全，是核電廠的一個重要系統。消防水系統由火災探測和報警設備、消防水供給設備、自動和手動滅火設備等組成。消防水供應設備包括水箱、泵、管道和閥門，以及其他的供水到消防栓、立管和滅火裝置的部件。國內某核電廠在運行4年以后，工作人員檢查發現消防水系統一個逆止閥發生斷裂，嚴重影響核電廠運行安全。本文就逆止閥閥體斷裂的原因進行了分析，并提出了改進建議。

1 分析方法

消防水系統的內部介質為生活水，腐蝕性較強，往往會對管道和管道內的過流部件產生腐 蝕[1,2]。閥體材料為鑄鐵；由于工藝因素，鑄鐵中往往含有裂紋、縮孔、縮松、氣孔及夾渣等缺陷，在使用過程中缺陷往往會引起部件斷裂[3,4]。該閥門工作狀態時呈常開狀態，上下游管線呈水平布置，在安裝時中心線存在不對中現象。

首先對閥門閥體斷口進行宏觀觀察和微觀形貌管道，根據表面形貌，結合現場工藝工況及環境，初步判定管壁減薄模式；然后對閥門材料進行成分分析、顯微組織、斷口微觀形貌以及拉伸性能分析，并且使用ANSYS軟件對受力情況進行模擬；最后根據實驗結果、模擬結果和運行工況綜合判斷斷裂原因。

2 分析結果與討論

2.1 宏觀分析

該閥門左右對稱，有兩處發生開裂。其中一處已發生斷裂，斷裂位置位于閥體一側法蘭根部。第2處位于另一側法蘭根部，與斷裂位置對稱，裂紋走向與斷口平行，約二分之一圓周長，如圖1所示。閥門內部及斷口表面被腐蝕產物覆蓋，銹蝕嚴重，如圖2所示。此外，斷口較平齊，幾乎沒有宏觀塑性變形，呈典型脆性斷裂特征。

圖1 斷口及微裂紋位置

圖2 斷口宏觀形貌

2.2 材料成分

閥體成分分析結果如表1所示，閥體材質為灰 鑄鐵。

表1 成分分析結果

2.3 金相檢驗

圖3為金相樣拋光態照片。送檢閥體石墨類型為片狀（A型），石墨長度為3級，組織較為正常。侵蝕后照片如圖4所示，珠光體級別為3級。

圖3 拋光態照片

圖4 4%硝酸酒精腐蝕后照片

在斷口附近發現兩條裂紋，分別記為C1#、C2#，宏觀形貌如圖5所示。裂紋宏觀和微觀形貌如圖6和7所示。從圖中可以看出，裂紋均起源于閥體外表面90°變徑處，沿45°向內擴展，走向較平直。

圖5 裂紋分析樣品宏觀照片

圖6 C1#樣品裂紋形貌

圖7 C2#樣品裂紋形貌

2.4 拉伸性能

表2為拉伸試驗結果（因鑄鐵材料塑性差，無明顯屈服點）。

表2 為拉伸試驗結果

2.5 斷口微觀形貌分析

因斷口表面銹蝕嚴重，將取下的斷口經檸檬酸清洗后置于電鏡觀察，如圖8所示。斷口上未發現縮孔、疏松等典型鑄造缺陷。斷口由大小不一的解理面組成，解理面為典型的河流花樣，斷裂機制是典型的解理斷裂。

圖8 斷口微觀形貌

2.6 力學分析

由于現場在安裝過程中，閥門上下游管線不對中，存在偏心，這勢必對水平放置的閥門產生附加應力。利用ANSYS軟件對此進行模擬。

經上述理化檢驗，閥門材料為鑄鐵，抗拉強度110MPa，查閱材料手冊，彈性模量為120GPa。斷裂部位流體內部壓力為0.9MPa。

考慮到閥門結構的對稱性，建立閥門的1/2結構三維力學分析模型。1/2閥門結構的有限元模型如圖9所示。因未提供現場上下游管線的偏移值，分析時假設存在0.6mm偏心（僅作趨勢分析）。

圖9 閥門結構有限元分析模型

在閥門內部施加內壓載荷、閥門一端施加固定位移的邊界條件（圖9右側邊界），另一端施加強制位移載荷（圖9左側邊界），初步施加的強制位移為0.6 mm。

閥門上Mises應力分布情況如圖10所示，為更詳細的顯示閥門端部的應力集中情況，施加強制位移一側Mises應力局部分布情況如圖11所示，固定位移一側Mises應力局部分布情況如圖12所示，由圖11和圖12可知，在上下游管線存在不對中的情況下，閥門端部連接法蘭板根部（即斷裂及存在環向裂紋處）存在明顯應力集中，應力最大值達到120MPa，超過材料的抗拉強度。

圖10 閥門Mises應力分布情況

圖11 閥門強制位移一側Mises應力分布情況

圖12 閥門固定一側Mises應力分布情況

通過上述分析，可以得出該閥門的材質為灰鑄鐵，未發現鑄造及組織缺陷。開裂部位有兩處，分別位于閥門左右兩側法蘭盤結構突變處。其中一處已發生斷裂，另一處已形成肉眼可見裂紋。斷口較平直，銹蝕嚴重，無明顯塑性變形，斷裂機制為解理斷裂。裂紋走向由外向內。裂紋形成處是上下游管線不對中造成的閥體應力集中點。因此，上下游管線的不對中導致了閥門兩側法蘭盤幾何結構突變處應力集中，應力的大小可能已超過閥門的抗拉強度，導致閥門開裂。

3 結語

綜合以上分析結果，可以得出如下結論：閥門材質為灰鑄鐵，未見鑄造及組織缺陷；閥門上下游管線的不對中導致了閥門兩側法蘭盤幾何結構突變處應力集中，應力的大小可能已超過閥門的抗拉強度，導致閥門開裂。

綜合以上的分析結果，建議如下：盡量保證閥門上下游管線中心線對中，減少附加應力。可優化開裂處的幾何結構，變徑處采用圓滑過渡，緩解由于上下游管道不對中造成的應力集中。