核電廠閥前三通泄漏失效原因分析

胡 斌 高 斌 熊建新 徐 科

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

國內(nèi)某一核電廠在日常運行期間一閥前三通焊縫區(qū)域發(fā)生穿孔泄漏，隨即維修人員對泄漏三通所在管段進行了泄壓、疏水和補焊，補焊完成后該管線繼續(xù)投入運行，未發(fā)現(xiàn)其它泄漏跡象。運行一個月后該三通焊縫的另一位置再次出現(xiàn)穿孔泄漏，為該三通的第二次穿孔失效，影響機組的安全穩(wěn)定運行。該三通內(nèi)部運行介質(zhì)為汽液兩相，溫度為100oC，設(shè)計材質(zhì)為321不銹鋼。

1 理化試驗

1.1 宏觀形貌

不銹鋼三通先后兩次出現(xiàn)穿孔，內(nèi)外部宏觀形貌如圖1所示。該三通為非工廠預(yù)制型整體三通結(jié)構(gòu)，而是現(xiàn)場手工焊接三通，三通主管與支管為安放式T型連接，焊縫呈馬鞍型。根據(jù)該焊接結(jié)構(gòu)可知，現(xiàn)場采用鋼筋將馬鞍型座-三通主管連接在一起，再采用現(xiàn)場焊接方式將鋼筋與馬鞍座及三通主管焊接成型。

圖1 三通內(nèi)外側(cè)宏觀形貌

圖2 泄漏區(qū)域存在鐵素體組織

圖中不管是三通正面還是背面可以看出三通馬鞍型焊縫表面坑洼不平、焊接成型不良，1#位置存在一塊焊接凸起位置，是第一次泄漏補焊后所形成。2#位置為第二次泄漏區(qū)域，在左側(cè)馬鞍型焊縫上，2#泄漏點呈喇叭口形貌，泄漏點的周邊局部泛白，可能是堵漏用的膠水痕跡。將三通沿主管-支管的中心面切開可以看出管道內(nèi)表面呈褐色，1#泄漏點位置存在1處穿孔，而2#泄漏區(qū)域內(nèi)壁并無明顯的穿孔痕跡。

1.2 成分分析

對三通主管、支管、鋼筋進行化學成分分析，檢驗結(jié)果如表1所示，三通主管和支管的材料為321不銹鋼，鋼筋材料為304不銹鋼。

表1 化學成分分析結(jié)果（wt.%）

1.3 金相組織檢驗

對第一次泄漏位置截面進行金相組織檢驗，焊縫為焊態(tài)奧氏體組織，組織正常，鋼筋為奧氏體組織，并局部可見夾雜物，組織正常，主管母材組織為奧氏體組織（軋制狀），組織正常。在三通主管的穿孔區(qū)域下方發(fā)現(xiàn)一塊組織異常區(qū)域，從其金相組織圖中可以看出其組織以鐵素體為主，中間夾雜少量的珠光體組織，同時組織中夾雜著少量的空洞。鐵素體和珠光體的組織明顯不屬于321不銹鋼的主管道和304不銹鋼的鋼筋，而是碳鋼材料的典型金相組織，將該金相試樣放置于空氣中一段時間后，出現(xiàn)了明顯銹蝕，銹斑尺寸約長12×寬2mm。

1.4 微觀形貌

對鐵素體區(qū)域進行能譜測試，圖譜48#～50#能譜結(jié)果顯示該區(qū)域主要元素含量為Fe、C、O，可以推斷該區(qū)域的材料為碳鋼材料，C元素則是后期由于材料腐蝕所引入的，這一結(jié)果與在金相組織檢測結(jié)果中該區(qū)域也顯示為鐵素體+少量珠光體組織這一結(jié)果相吻合。根據(jù)以上分析結(jié)果可知，在三通主管穿孔位置上方放置了一塊長16mm、寬2mm的碳鋼塊。

對鋼筋與管道接觸部位截面進行微觀觀察，結(jié)果如圖3所示。從截面圖中可以看出鋼筋與管道之間存在間隙，導(dǎo)致鋼筋沿著主管道一圈形成了導(dǎo)通結(jié)構(gòu)，此外在鋼筋與管道焊接部位存在未融合和焊接夾渣現(xiàn)象，觀察到存在一處φ0.7mm、高約2mm的焊接夾渣。

圖3 鋼筋與管道接觸部位截面形貌

2 分析與討論

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)該三通焊縫為非典型馬鞍型焊縫，在馬鞍型結(jié)構(gòu)及三通主管上圍繞了一根鋼筋，采取焊接方式將三通及鋼筋焊接成型[1-3]。整個焊縫外表面凹凸不勻、成型不良。沿三通中心面剖開后，三通管道內(nèi)部呈褐色，未見明顯腐蝕跡象。化學成分檢測結(jié)果顯示三通主管、支管為321不銹鋼鋼筋為304不銹鋼材料。金相組織結(jié)合能譜結(jié)果分析得出三通主管和支管、鋼筋、焊縫均為不銹鋼的奧氏體組織，組織正常，焊縫為奧氏體焊縫組織，未見異常粗大組織。三通主管穿孔處有一主要元素含量為Fe、O的碳鋼材料，其組織為鐵素體和少量珠光體。此外，該三通的主管和支管均為奧氏體不銹鋼材料，焊縫的主要成分亦為不銹鋼成分，正常情況下奧氏體三通管道焊縫不會引入碳鋼，因此，該碳鋼材料的存在是不正常的。在鋼筋與管道的截面焊接區(qū)域發(fā)現(xiàn)兩者之間存在間隙，導(dǎo)致鋼筋沿著主管道一圈形成了導(dǎo)通結(jié)構(gòu)。此外，在馬鞍型焊縫泄漏位置觀察到了未熔合缺陷，鋼筋和三通支管間存在一處φ0.7mm、高約2mm的焊接夾渣[4-6]。

三通底部第一次泄漏的原因是在三通現(xiàn)場手工焊接制造時，主管管壁被焊穿，并在孔的上方覆蓋一塊碳鋼墊板進行“封口”。該碳鋼材料與高溫高壓一/二回路汽水介質(zhì)接觸并發(fā)生腐蝕，經(jīng)過長時間運行后，該碳鋼板被腐蝕穿透，導(dǎo)致了三通泄漏。對主管泄漏部位進行了堆焊，三通主管泄漏焊縫補焊后，該管系繼續(xù)投入運行，該部位當時未再發(fā)生泄漏。需要指出的是，在主管泄漏部位補焊時，只能在對應(yīng)泄漏點的主管外壁堆焊，從而完成堵漏。實際上，補焊后并沒有將主管上的穿孔堵上，從而使得管道內(nèi)高溫流體介質(zhì)從主管穿孔處進入鋼筋-主管-支管間的間隙，并充滿整個縫隙空間。由于馬鞍型焊縫未熔合部位存在較為致密的夾渣，在運行后并未馬上出現(xiàn)泄漏，而是在運行約1個月后，高溫流體介質(zhì)從馬鞍型焊縫未熔合/夾渣處泄漏，導(dǎo)致了第二次泄漏的發(fā)生。

3 結(jié)語

綜上所述，在建造和安裝期間三通主管被焊穿并形成穿孔，在穿孔上方覆蓋一碳鋼材料，該碳鋼在長期運行下被腐蝕穿透，發(fā)生第一次泄漏。三通主管泄漏點被堆焊堵漏后，系統(tǒng)再次投入運行，管道內(nèi)高溫流體介質(zhì)從主管穿孔處進入鋼筋-主管-支管間的間隙，并充滿整個縫隙空間，由于馬鞍型焊縫局部存在未熔合/夾渣，致使在馬鞍型焊縫未熔合/夾渣部位再次發(fā)生泄漏。導(dǎo)致泄漏的根本原因為焊縫質(zhì)量不良，工藝和工程控制不當。