某核電廠給水除氧器系統(tǒng)管線焊口失效分析與對策

劉文清 王淦剛 楊 佳

（蘇州熱工研究院有限公司 蘇州 215004）

某核電廠給水除氧器系統(tǒng)管線焊口失效分析與對策

劉文清 王淦剛 楊 佳

（蘇州熱工研究院有限公司 蘇州 215004）

為了研究核電給水除氧器系統(tǒng)管線不銹鋼焊口批量開裂機(jī)理，取樣進(jìn)行了理化分析、裂紋形貌觀察。分析表明，斷口擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)了疲勞輝紋，焊縫、熱影響區(qū)塑性、韌性顯著低于母材，為裂紋擴(kuò)展提供了有利路徑，交變載荷或在應(yīng)力集中交互作用下提供了裂紋萌生條件和擴(kuò)展動力，導(dǎo)致焊口早期開裂。根據(jù)開裂分析過程中發(fā)現(xiàn)的問題，提出了改進(jìn)措施，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

核電 疲勞裂紋 失效分析 不銹鋼

核電給水除氧器系統(tǒng)是核電常規(guī)島廠房重要的給水系統(tǒng)，主要作用對給主給水除氧和加熱，其運(yùn)行狀況直接影響核電站的安全。某核電廠給水除氧器系統(tǒng)管線設(shè)計(jì)溫度：185℃、設(shè)計(jì)壓力：1.04MPa、材質(zhì)：00Cr19Ni10、規(guī)格：φ89×5.5mm、焊接填充材料：ER308L（國產(chǎn)）、直徑φ2.4mm。機(jī)組累計(jì)商運(yùn)20個(gè)月后，該管線多只不銹鋼管道焊口出現(xiàn)開裂。據(jù)文獻(xiàn)［1-5］報(bào)道不銹鋼焊縫失效機(jī)理有晶間腐蝕、刀狀腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、脆性斷裂等。科學(xué)地對工程失效進(jìn)行分析研究，有助于減少同類失效現(xiàn)象的重復(fù)發(fā)生，為工程技術(shù)改造提供信息、方向、途徑和方法［6］，對保證安全具有不可替代的作用［7］。為明確本次焊口批量失效機(jī)理，對同管線上的未失效、已失效管道焊口割管取樣進(jìn)行理化分析，解決焊縫批量開裂的治理措施。

1 裂紋宏觀特征及服役工況核查

根據(jù)開裂焊口結(jié)構(gòu)及服役工況情況，發(fā)現(xiàn)該批開裂焊口具有以下特點(diǎn)：1）開裂焊口多數(shù)集中在結(jié)構(gòu)突變區(qū)域（法蘭與直管對接焊口或彎頭與直管對接焊口）。2）裂紋多分布于焊趾處或靠近焊趾處焊縫金屬上。3）裂紋均為焊縫縱向裂紋，見圖1。4）裂紋尺寸長度在5~10mm，深度方向已穿透于內(nèi)壁。5）現(xiàn)場勘察開裂焊口所在管線前端連接疏水設(shè)備，疏水周期約60s，持續(xù)約10s，疏水完成后管線內(nèi)部呈負(fù)壓狀態(tài)。

選取同結(jié)構(gòu)未開裂的焊口經(jīng)PT反復(fù)檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋顯示。將其中的1只焊口沿寬度方向剖開PT檢測，發(fā)現(xiàn)沿熔合線方向線性顯示，見圖2。采用丙酮將線性顯示擦洗干凈后，采用放大鏡觀察發(fā)現(xiàn)缺陷為裂紋，從內(nèi)壁熔合線附近向外垂直擴(kuò)展至焊縫。同時(shí)可明顯觀察到焊口內(nèi)壁凸起嚴(yán)重。

圖1 焊口裂紋形貌

圖2 焊縫截面PT檢驗(yàn)線性顯示

2 理化分析

2.1 化學(xué)成分分析

對帶有裂紋缺陷焊口的母材及焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1和表2。表1中，母材（00Cr19Ni10)化學(xué)元素成分檢測中除P元素外都符合GB 14976—2002標(biāo)準(zhǔn)的要求。表2中，焊縫金屬成分在正常范圍內(nèi)。焊接奧氏體鋼時(shí)，P元素含量較高，磷容易在焊縫中形成低熔點(diǎn)磷化物，增加熱裂敏感性［8］。

表1 母材化學(xué)成分( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊縫化學(xué)成分( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 室溫拉伸試驗(yàn)

采用100kN AG-IC島津萬能材料試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 228.1—2010、GB/T 4338—2006標(biāo)準(zhǔn)對母材和接頭進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，為更好地反映了接頭在承受軸向載荷下的性能及斷裂特征拉伸試樣采用原始截面形態(tài)弧狀試樣，見圖3。試驗(yàn)結(jié)果見表3，結(jié)果表明母材的強(qiáng)度、斷后伸長率、沖擊韌性均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB 14976—2002對00Cr19Ni10值要求，且有較大的富余量。焊接接頭強(qiáng)度與母材相當(dāng)，但焊縫斷后伸長率遠(yuǎn)低于母材伸長率且低于標(biāo)準(zhǔn)要求值（35%）。

圖3 弧形拉伸試樣

表3 室溫拉伸結(jié)果

2.3 沖擊韌性試驗(yàn)

采用AMSLER RKP 450試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 229標(biāo)準(zhǔn)對母材、焊縫和熱影響區(qū)分別進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，受壁厚及接頭限制，熱影響區(qū)和焊縫試樣為V型非標(biāo)準(zhǔn)試樣55×10×2.5mm，母材的沖擊試樣尺寸為55×10×5mm。因試樣為非標(biāo)準(zhǔn)試樣，參考標(biāo)準(zhǔn)GB 5310—2008規(guī)定，可對焊縫和熱影響區(qū)沖擊功乘上2倍的比例系數(shù)與母材的進(jìn)行對比。試驗(yàn)結(jié)果見表4，從表中反映出焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性顯著低于母材。

表4 室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.4 金相分析

依據(jù)GB/T 13299—1991標(biāo)準(zhǔn)，采用Axiovert 200 MAT研究級倒置萬能材料顯微鏡，采用王水作為侵蝕劑，對帶有裂紋焊口進(jìn)行金相分析，結(jié)果顯示：焊口截面金相試樣顯示裂紋為單根主裂紋，無分叉，沿管接頭厚度方向上，裂紋分布在從內(nèi)壁向外壁的約2.5mm范圍內(nèi)，整體沿垂直與接頭表面分布，微觀上表現(xiàn)為穿晶分布特征，沿管軸向方向，裂紋靠位于距離熔合線0.5mm～1.0mm 的焊縫中[見圖4（a）]。裂紋從管內(nèi)壁向外，張口逐步減小，從形態(tài)判斷裂紋是從管接頭內(nèi)壁啟裂，向外壁擴(kuò)展，內(nèi)壁啟裂位置存在結(jié)構(gòu)突變，微觀上存在凹槽，裂紋尖端呈尖銳形狀，說明裂紋擴(kuò)展過程中塑性變形較小[見圖4（b)～圖4（c）]。裂紋區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯的氧化層，也未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕產(chǎn)物[見圖4（a)～圖4（d）]。母材組織為典型的奧氏體組織，由多邊形晶粒組成[見圖4（d）]。

圖4 M1焊口試樣裂紋橫截面形貌及其顯微組織

2.5 斷口分析

對斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，檢驗(yàn)結(jié)果[見圖5 （a)～圖5（b）]發(fā)現(xiàn)：裂紋斷面存在疲勞輝紋，裂紋源區(qū)表現(xiàn)為穿晶斷裂特征，裂紋擴(kuò)展區(qū)在周期性交變載荷作用下向外擴(kuò)展，但裂紋擴(kuò)展區(qū)占比面積較小，表明應(yīng)力較高。斷口整體較為平緩，晶粒在形變方向未見明顯拉長，微觀上呈現(xiàn)解理或準(zhǔn)解理特征，斷口整體呈脆性開裂特征。

3 分析

室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果得出，斷裂位置焊縫（靠近熔合線），焊縫斷后伸長率遠(yuǎn)低于母材伸長率且低于標(biāo)準(zhǔn)要求值（35%）。目前，未見到標(biāo)準(zhǔn)對不銹鋼材料及其焊縫接頭沖擊韌性限值規(guī)定要求。本次室溫沖擊試樣結(jié)果顯示，焊縫韌性顯著低于不銹鋼母材。因此，焊縫區(qū)域塑性變形能力較低以及熱影響區(qū)成分、組織不均勻性，使得該區(qū)域啟裂和裂紋擴(kuò)展抗力低于母材區(qū)域，為裂紋擴(kuò)展提供了有利路徑。

圖5 焊口裂紋斷口掃描特征

不銹鋼化學(xué)成分分析顯示母材P元素含量超標(biāo)，易增加熱裂紋敏感性。但在金相檢驗(yàn)和斷口分析中未發(fā)現(xiàn)明顯的氧化物，結(jié)合射線檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，可排除焊接熱裂紋。焊口斷面未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕產(chǎn)物，且裂紋為單根主裂紋，無明顯的分叉特征，可排除應(yīng)力腐蝕開裂。斷口擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋，是疲勞裂紋的典型特征。機(jī)組在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，管系上的周期性疏水設(shè)備（疏水周期約60s，持續(xù)約10s，疏水完成后管線內(nèi)部呈負(fù)壓狀態(tài)）給附近開裂焊口提供交變載荷。而焊口結(jié)構(gòu)突變、焊縫殘余應(yīng)力及焊縫背面成型不良等缺陷顯著造成了焊趾處應(yīng)力集中。因此，焊接接頭塑性、韌性較低及應(yīng)力集中焊趾區(qū)域在交變載荷或在應(yīng)力集中交互作用下促使了裂紋萌生、擴(kuò)展，裂紋基本沿垂直接頭表面方向擴(kuò)展延伸，這應(yīng)與應(yīng)力的加載方向和幅值大小有關(guān)。

4 結(jié)束語

綜合上述分析，該批焊縫失效機(jī)理為疲勞開裂，焊縫和熱影響區(qū)塑性、韌性顯著低于母材，為裂紋擴(kuò)展提供了路徑。交變載荷或在應(yīng)力集中交互作用下提供了裂紋萌生條件和擴(kuò)展動力，所有裂紋基本沿垂直接頭表面方向擴(kuò)展延伸，這應(yīng)與應(yīng)力的加載方向和幅值大小有關(guān)。根據(jù)開裂分析過程中發(fā)現(xiàn)的問題，建議如下：

1）該類型機(jī)組建議選用連續(xù)性恒壓疏水替代周期性疏水設(shè)備，消除交變載荷振源；

2）疏水器及法蘭等管件增加短管設(shè)計(jì)，避免不等厚對接焊口設(shè)計(jì)，減少焊接結(jié)構(gòu)突變應(yīng)力集中，提高材料抗疲勞性能；

3）標(biāo)準(zhǔn)建議增加不銹鋼類材料焊接接頭沖擊韌性值的要求，提高焊接接頭材料抗疲勞性能；

4）采用低的焊接線能量，嚴(yán)格控制焊接層間溫度，減小焊縫和熱影響區(qū)晶粒大小，提高焊接接頭的塑性、韌性。

［1］張勝寒，邊口娜，史艷玲，等．奧氏體不銹鋼晶間腐蝕研究狀況［J］．江蘇化工，2008，36（3）：45-47．

［2］劉海俠，薛錦，Cr17Ni2鋼焊接接頭抗刀狀腐蝕性能的研究［J］．熱加工工藝，2001，3：21-22．

［3］姬晶，奧氏體不銹鋼焊接性分析［J］．煤礦機(jī)械，2008，29（7）：85-86．

［4］王志英，王儉秋，韓恩厚，等．力學(xué)因素對管線鋼應(yīng)力腐蝕開裂裂紋萌生的影響［J］．中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2008，28（5）：282-286．

［5］黃彥良，候保榮．應(yīng)力腐蝕開裂的一種概率競爭機(jī)制［J］．海洋與湖沼，1998，29（6）：646-650．

［6］李鶴林．失效分析的任務(wù)、方法及其展望［J］．理化檢驗(yàn)，2005，41（1）：1-6．

［7］鐘群鵬．失效分析與安全［J］．理化檢驗(yàn)，2005，41（5）：217-221．

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Failure Analysis and Measures of Pipeline Weld-joints in Feeding Water Deaerator System in Nuclear Power Plant

Liu Wenqing Wang Gangang Yang Jia
(Suzhou Nuclear Power Research Institute Co., Ltd. Suzhou 215004)

In order to research the batch cracking mechanism of stainless steel welded joints in nuclear feed water deaerator system, physical and chemical analysis and crack morphology observation were carried out. The results show that the fatigue profile is found in the fracture zone, and the plasticity and toughness of the weld HAZ are significantly lower than those of the base metal, providing a favorable path for crack propagation. Alternating loads may provide crack initiation conditions and extended forces under stress concentration interaction, leading to early cracking of welds. According to the problems found in the cracking analysis process, the improvement measures are put forward to ensure the safe and stable operation of the unit.

Nuclear Fatigue crack Failure analysis Stainless steel

X933.4

B

1673-257X(2017)05-0072-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.05.016

劉文清(1980～)，男，在讀研究生，中級工程師，從事核電廠焊接管理及失效分析工作。

劉文清，E-mail：liuwenqing_08@163.com。（收稿日期：2016-10-27）