核電站下泄調(diào)節(jié)閥閥座碎裂原因分析

施熔剛,李仲勛,陳 辭,閆修平

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心 ，北京 100082)

化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(RCV)是核電站的重要輔助系統(tǒng)。核電站正常功率運(yùn)行時(shí),冷卻劑從一回路引出排至RCV,在RCV內(nèi)進(jìn)行降溫、降壓、凈化,最后流至容積控制箱,這個(gè)過程稱之為RCV的下泄過程[1]。在化學(xué)和容積控制系統(tǒng)中，下泄調(diào)節(jié)閥起重要作用。穩(wěn)壓器為雙相時(shí)，下泄控制閥調(diào)節(jié)孔板下游的壓力，實(shí)現(xiàn)下泄流的二次降壓，使其低于凈化系統(tǒng)的工作壓力；穩(wěn)壓器為水實(shí)體時(shí)，下泄調(diào)節(jié)閥控制一回路系統(tǒng)的壓力[2]。

調(diào)節(jié)閥在自動控制系統(tǒng)中的作用，就是接受調(diào)節(jié)器發(fā)出的控制信號，改變閥芯、閥座間的相對位置，控制工藝介質(zhì)流量的相應(yīng)改變，達(dá)到被調(diào)參數(shù)控制在所要求的范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。因此，調(diào)節(jié)閥是自動控制系統(tǒng)中一個(gè)極為重要的組成部分[3]，調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)見圖一。在機(jī)組運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)下泄調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)調(diào)節(jié)流量不準(zhǔn)的情況，有內(nèi)漏情況。解體檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)閥座裂成三塊，墊片在閥座上的墊片槽外，閥座密封平面有0.2 mm深的壓痕，同時(shí)墊片損壞嚴(yán)重。為分析閥門閥座碎裂產(chǎn)生的原因，對閥座進(jìn)行斷口宏觀分析、力學(xué)性能分析、能譜分析及金相檢查。根據(jù)斷裂機(jī)理，分析閥座碎裂的根本原因。本文就閥座的碎裂情況進(jìn)行分析研究，找到其碎裂的原因，并提出相關(guān)閥門安裝的改進(jìn)方案。

1 閥座試驗(yàn)分析

1.1 宏觀分析

斷裂集中在右半側(cè)區(qū)域，觀察1號、2號裂塊斷口花紋走向，發(fā)現(xiàn)兩裂塊起源于凸臺根部圓弧區(qū)(源區(qū)A和源區(qū)B),沿環(huán)向及縱向快速擴(kuò)展，斷口沒有明顯塑性變形，均具有脆性斷裂特征。宏觀分析表明：閥座發(fā)生起源于凸臺根部圓弧區(qū)的多源脆性斷裂。如圖1所示。

圖1 下瀉調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the letdown regulating valve

1.2 化學(xué)成分分析

在閥座上截取試樣(具體取樣位置見圖2)進(jìn)行材料化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。閥座的材料化學(xué)成分在IS0 683-17《Heat-treatedsteels,alloy steels and free-cutting steels-Part 17: Ball and roller bearingsteels》中X108CrMo17的化學(xué)成分規(guī)范范圍內(nèi)。

圖2 閥座取樣圖Fig.2 Sampling of valve seat

Table 1 Results of chemical composition analysis 單位：%

1.3 力學(xué)性能測試

分別在閥座上截取并制備φ5 mm縱向標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣及10 mm×10 mm×55 mm縱向標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣(具體取樣位置見圖2)，進(jìn)行室溫拉伸及室溫沖擊試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)中，試樣發(fā)生脆性斷裂，斷成3段，試樣的沖擊吸收功較低，僅為3.1 J，閥座材料韌塑性較差。

1.4 斷口形態(tài)及能譜成分分析

線切割截取閥座1-1、 2-1斷口，經(jīng)超聲波清洗后，在掃描電子顯微鏡下觀察其微觀形態(tài)，斷口形態(tài)及能譜半定量分析結(jié)果見圖3～圖7。

1-1斷口自底部表面(圖2源區(qū)A：凸臺根部圓弧區(qū))起裂，向?qū)?cè)快速擴(kuò)展至斷裂；整個(gè)斷口呈暗灰色，未見塑性變形。源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、終斷區(qū)形態(tài)相似，具有沿晶形貌特征，沿晶晶粒上密布小顆粒球狀碳化物，部分區(qū)域存在大尺寸(寬度約20 μm)的條狀、塊狀碳化物。

2-1斷口產(chǎn)生于閥座斷裂后期，是1號裂塊、2號裂塊擴(kuò)展交匯形成的斷口(見圖2)2-1斷口微觀形態(tài)與1-1相似，具有沿晶脆性斷裂特征，整個(gè)斷面分布小顆粒球狀碳化物及塊條狀碳化物。上述斷口均以沿晶脆性斷裂為主沒有疲勞擴(kuò)展特征。

圖3 宏觀Fig.3 Macro

圖4 沿晶斷口Fig.4 Intergranular fracture

圖5 源區(qū)Fig.5 Source region

圖6 擴(kuò)展區(qū)Fig.6 Extension region

圖7 終斷區(qū)Fig.7 Final fault zone

圖8 源區(qū)共晶碳化物聚集區(qū)形成裂紋Fig.8 Crack formation in the eutectic carbide accumulation zone in the source region

1.5 剖面金相分析

在閥座1號斷口源區(qū)(具體位置見圖2)截取并制備垂直于斷口的剖面金相試樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察其金相組織，剖面圖見(見圖8～圖10) 。試樣各區(qū)域的金相組織均為回火馬氏體+網(wǎng)狀共晶碳化物+粒狀碳化物。斷口區(qū)存在較多彎曲擴(kuò)展的裂紋，大多數(shù)裂紋沿著條帶狀物擴(kuò)展?；w金相組織(見圖11)按照GB/T 14979《鋼的共晶碳化物不均勻度評定法》的第五評級圖對鋼中的共晶碳化物，為7級，碳化物局部聚集比較嚴(yán)重。

圖9 擴(kuò)展區(qū) 裂紋沿共晶碳化物擴(kuò)展Fig.9 Crack propagation along the eutectic carbides in the extension zone

圖10 終斷區(qū)Fig.10 Final fracture zone

圖11 基體金相組織(碳化物級別7級)Fig.11 Matrix microstructure (carbide grade 7)

1.6 硬度測試

在閥座上截取試樣(具體取樣位置見圖2)，依據(jù)GB/T 230.1—2009測試橫剖面不同位置的洛氏硬度值，HRC平均值為58.5，不同位置的硬度值基本一致。在閥座剖面金相試樣上依據(jù)GB/T 4340.1—2009測試縱剖面不同位置的維氏硬度值，結(jié)果見表2。斷口區(qū)不同區(qū)域的平均硬度略大于基體，條塊狀碳化物區(qū)硬度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。

表2 維氏硬度(HV0.5)測試結(jié)果

1.7 試驗(yàn)結(jié)果分析

閥座材料為高碳鉻不銹鋼軸承鋼，閥座的材料化學(xué)成分滿足IS0 683-17《Heat-treated steels,alloy steels ancl free-cutting steels-Part17: Ball and roller bearing steels》中X108CrMo17的化學(xué)成分規(guī)定要求。該種類型的鋼硬度高、韌塑性差，可用來制作耐磨零件，不適用于受沖擊和振動較大的環(huán)境。閥座材料中共晶碳化物呈條帶狀，且局部聚集嚴(yán)重，按照GB/T 14979-1994評級，為7級。通常認(rèn)為，條帶狀碳化物聚集程度越高，對鋼的割裂越嚴(yán)重，碳化物聚集區(qū)越容易成為裂紋形成和擴(kuò)展的通道。由于鋼中共晶碳化物的條帶方向與表面垂直，當(dāng)閥座表面承受較大的垂直應(yīng)力作用時(shí)，閥座表面的碳化物聚集區(qū)容易萌生脆性裂紋。但由于設(shè)計(jì)圖紙和運(yùn)行工況允許材料較脆或?qū)Σ牧蠜]有韌塑性要求，可以認(rèn)為閥座的斷裂與受到?jīng)_擊或安裝局部偏載有關(guān)。

2 墊片安裝對閥座的影響及改進(jìn)

墊片為可壓延的材料，它可能是軟的或者是硬的。閥門一般采用核級不銹鋼纏繞墊片密封[4]，墊片被插入兩個(gè)密封面之間以防止接頭的泄漏。由螺栓產(chǎn)生的壓力，就地將墊片壓緊。纏繞墊片由交替的金屬層和非金屬層纏繞一起而成，纏繞墊片兼?zhèn)鋷в熊浗饘倮p繞片的平板墊片的彈性，并增加了強(qiáng)度以防止在高溫高壓工況下可能的墊片漏氣。石墨纏繞墊片用于高溫工況下苛刻操作的閥門[5]。

考慮到解體后發(fā)現(xiàn)墊片移出閥座上的墊片槽外，閥座密封平面有0.2 mm深的壓痕，同時(shí)墊片損壞嚴(yán)重。最可能的原因由于墊片槽開在閥座上，由于方向向下，安裝時(shí)易脫出墊片槽外或墊片沒有裝入墊片槽中。由此產(chǎn)生局部偏載，是脆性開裂的外部原因。建議在今后安裝閥門時(shí)，為了方便閥座墊片安裝在閥座內(nèi)的殼體中可以應(yīng)用于現(xiàn)有的閥門(不需要額外的閥體加工)中添加一個(gè)內(nèi)部和外部板(圖12)作為閥座墊片的止動裝置。這種墊片的設(shè)計(jì)改進(jìn)將大大簡化，也將消除閥座開裂的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際按此設(shè)計(jì)改進(jìn)裝配后，閥門一直正常運(yùn)行，沒出現(xiàn)閥座碎裂的相關(guān)問題。

圖12 墊片安裝的改進(jìn)方案Fig.12 Improvement scheme for gasket installation

3 結(jié) 論

通過對閥座進(jìn)行斷口宏觀分析、力學(xué)性能分析、能譜分析及金相檢查，發(fā)現(xiàn)閥座從閥座根部應(yīng)力集中區(qū)和表面碳化物聚集區(qū)發(fā)生脆性開裂。鋼中共晶碳化物呈條帶狀，局部偏聚比較嚴(yán)重，材料韌塑性和抗沖擊能力差，是導(dǎo)致閥座脆性開裂的內(nèi)在因素。閥座由于墊片裝配不當(dāng)脫離墊片槽使閥座產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力作用是導(dǎo)致其發(fā)生開裂的外因。通過墊片的設(shè)計(jì)改進(jìn)將大大簡化閥門結(jié)構(gòu)，也消除了閥座開裂的風(fēng)險(xiǎn)。