核電站PTR系統(tǒng)法蘭失效分析

唐世延

（中國(guó)核電工程有限有限公司，福建 福清 350300）

0 引言

反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱：PTR系統(tǒng))是反應(yīng)堆中的重要系統(tǒng)，它為核燃料廠房的乏燃料水池和反應(yīng)堆廠房的反應(yīng)堆換料水池服務(wù)，以保證乏燃料元件貯存池的持久冷卻和反應(yīng)堆換料水池的注水、排水和凈化。

某核電廠PTR系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)PTR003VB法蘭發(fā)生泄漏，外表面出現(xiàn)硼結(jié)晶體。液體滲透檢查發(fā)現(xiàn)在近焊縫處存在多處長(zhǎng)約3～5mm線性缺陷顯示，缺陷位于管道內(nèi)壁且距離焊縫邊緣約0.3mm的焊接熱影響區(qū)。PTR系統(tǒng)其它同類法蘭經(jīng)液體滲透檢查發(fā)現(xiàn)，8片法蘭中有7片法蘭存在線性缺陷顯示。為保障核電站反應(yīng)堆冷卻介質(zhì)的狀態(tài)，確保核電站安全運(yùn)行，防止后續(xù)類似事故發(fā)生，非常有必要對(duì)PTR系統(tǒng)失效法蘭開(kāi)展失效分析，判斷其失效性質(zhì)并分析失效原因。

1 試驗(yàn)方法

采用液體滲透探傷、材料化學(xué)成分分析（EDS,FEI NANO400）、材料力學(xué)性能測(cè)試（電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，WDW-100C）、基材及裂紋截面金相分析(OM,Olympus OLS4000)、裂紋斷口掃描電鏡及能譜分析（SEM/EDS，F(xiàn)EI NANO400）等方法進(jìn)行失效分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分分析

失效法蘭的材質(zhì)為304L奧氏體不銹鋼,為驗(yàn)證材料化學(xué)成分是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從失效的法蘭上截取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果表明，化學(xué)成分符合規(guī)范的技術(shù)要求，但成分分析中發(fā)現(xiàn)存在較高含量（0.07%）的 Al。

2.2 力學(xué)性能分析

根據(jù)GB/T228.1對(duì)失效法蘭材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明，該材料的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 顯微組織分析

對(duì)失效法蘭母材與熱影響區(qū)金相組織進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)焊接熱影響區(qū)晶粒尺寸較大，這與焊接過(guò)程中熱輸入有關(guān)。

對(duì)失效法蘭母材的晶界結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)夾雜物主要沿晶界分布。能譜分析結(jié)果表明夾雜物中含有Al2O3、MnS夾雜物以及Al2O3-SiO2-CaO系復(fù)合夾雜物，上述夾雜物中以含Al的夾雜物居多。根據(jù)GB/T10561對(duì)法蘭基體材料進(jìn)行了夾雜物評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果為1.0～1.5級(jí)。

2.4 裂紋分析

對(duì)裂紋斷口的全貌進(jìn)行分析，在內(nèi)壁附近可以觀察到端面呈現(xiàn)一系列相互平行的條紋，略微彎曲，呈波浪狀，并與裂紋微觀擴(kuò)展方向垂直，裂紋的擴(kuò)展方向均朝向波紋凸出的一側(cè)，此為疲勞裂紋的典型特征。在裂紋斷口上還發(fā)現(xiàn)各種形態(tài)的夾雜物，EDS檢測(cè)結(jié)果表明這些夾雜物為富含Al、S的非金屬夾雜物。

通過(guò)掃描電鏡觀察管壁局部微裂紋的形貌，在微裂紋中間部位可觀察到條狀?yuàn)A雜物，能譜分析顯示含有較高含量的Al，這進(jìn)一步證實(shí)了含Al夾雜物對(duì)于該法蘭失效起到了至關(guān)重要的作用。

3 討論

掃描電鏡及能譜分析結(jié)果表明，材料中存在大量的含鋁相非金屬夾雜物?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果證實(shí)Al含量高達(dá)0.07%，較高的Al含量與材料的冶煉、鑄造和加工過(guò)程有關(guān)。Al2O3為鋼中較為常見(jiàn)的夾雜物，Al2O3可以有許多種形態(tài)，由于它的熔點(diǎn)高（2050℃），所以它往往以初晶剛玉析出，剛玉是六角形且可以與其他三價(jià)M2O3類氧化物完全互溶[1]。Al2O3的來(lái)源主要有兩類：其一是將鋁加入鋼中脫氧時(shí)生成的，其尺寸為1～4μm左右；其二是來(lái)自耐火材料。文獻(xiàn)[2-3]曾對(duì)304不銹鋼中的夾雜物來(lái)源進(jìn)行過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)冶煉過(guò)程中耐火磚材料是Al的主要來(lái)源，夾雜物的主要種類是Al2O3-SiO2-CaO系復(fù)合夾雜、Al2O3夾雜、Al2O3-SiO2系硅酸鹽夾雜以及SiO2夾雜。

鋼中非金屬夾雜物的存在降低材料的塑性、韌性和疲勞性能，尤其當(dāng)夾雜物以不利的形狀和分布特征存在時(shí)，對(duì)材料的力學(xué)性能影響更為嚴(yán)重[4-5]。危害性最大的夾雜物是來(lái)源于爐渣和耐火材料的外來(lái)氧化物，它們尺寸大、形狀不規(guī)則、分布集中并且變形性差。這些夾雜物塑性很差（MnS除外），與基體相屬于非共格關(guān)系，結(jié)合力較弱，其存在往往成為潛在的裂紋源，特別容易引起部件的早期疲勞破壞[6]。同時(shí)，鋁硅鈣夾雜物具有較高的熔點(diǎn)和硬度，其硬度隨Al2O3含量的增加而升高，變形量小，當(dāng)壓力加工變形量增大時(shí)，鋁硅鈣被壓碎并沿著加工方向呈串鏈狀分布，嚴(yán)重地破壞了鋼基體均勻的連續(xù)性。

鋼中非金屬夾雜物的變形行為與基體之間的關(guān)系，可用夾雜物與基體之間的相對(duì)變形量來(lái)表示，即夾雜物的變形率V。夾雜物的變形率可在0～1范圍變化，若變形率低，鋼經(jīng)加工變形后，由于鋼產(chǎn)生塑性變形，而夾雜物基本上不變形，便在夾雜物和鋼基體的界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致在鋼與夾雜物的界面處產(chǎn)生微裂紋。在交變載荷的作用下，非金屬夾雜物便成為構(gòu)件在使用過(guò)程中引起疲勞破壞的隱患。

疲勞裂紋起裂于不均勻局部滑移而形成的微裂紋，主要方式為表面滑移帶形成、第二相、夾雜物或其界面起裂，晶界或亞晶界起裂、各類冶金缺陷和工藝缺陷的起裂等。工程金屬疲勞裂紋的萌生多發(fā)現(xiàn)于第二相、夾雜物處，這些部位在較低的應(yīng)力下就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變集中，裂紋易于萌生并擴(kuò)展。因此，在疲勞應(yīng)力作用下，疲勞易于在材料中含有上述非金屬夾雜物處開(kāi)始萌生和擴(kuò)展。失效的管道法蘭所屬管道所處位置靠近水泵，該泵正常運(yùn)行時(shí)為常開(kāi)狀態(tài)，水泵運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)通過(guò)管道傳導(dǎo)至失效的法蘭，從而提供了法蘭產(chǎn)生疲勞失效的交變載荷。

由于法蘭在焊接部位為壁厚4mm的薄壁管，較多的含Al非金屬雜物較多，晶粒粗大，且失效法蘭所屬管道的平均振動(dòng)幅度為PTR系統(tǒng)中最大的等因素疊加使得法蘭以疲勞方式失效。

4 結(jié)論

焊縫熱影響區(qū)以及母材晶粒粗大，非金屬夾雜物在管內(nèi)壁斷口區(qū)域連續(xù)分布，裂紋萌生于管材內(nèi)壁的非金屬夾雜物處，在疲勞載荷作用下不斷向外擴(kuò)展，最終導(dǎo)致法蘭以疲勞方式失效。

[1]董履仁,劉新華.鋼中大型非金屬夾雜物[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1991.

[2]張雅麗,王建軍,羅林根,郭上型,孔輝,周俐.304奧氏體不銹鋼鑄錠中非金屬夾雜物研究[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,28(4):350-354.

[3]李雙江,李陽(yáng),姜周華,李偉堅(jiān).304奧氏體不銹鋼夾雜物的冶金行為[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,31(3):402-405.

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[5]許忠波,EL.Gammal.鋼中夾雜物含量及其形態(tài)對(duì)鋼力學(xué)性能的影響[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),1994,6(4):18-23.

[6]廖景娛.金屬構(gòu)件失效分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.