穩(wěn)壓器噴淋閥碟簧斷裂機(jī)理分析

胡文盛，張瀟宇，王儀美，吳 起，郭超凡，謝祖妙

穩(wěn)壓器噴淋閥碟簧斷裂機(jī)理分析

胡文盛1，張瀟宇1，王儀美2，吳 起3，郭超凡1，謝祖妙1

（1. 福建福清核電有限公司，福建 福清 350318；2. 中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430073；3. 核電運(yùn)行研究（上海）有限公司，上海 200126）

穩(wěn)壓器噴淋閥是核電廠用于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力控制和維持一回路均勻水化學(xué)的關(guān)鍵設(shè)備。針對(duì)某核電廠穩(wěn)壓器噴淋閥的碟簧斷裂案例，通過宏觀形貌分析、尺寸測(cè)量、殘余應(yīng)力測(cè)試、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、顯微組織對(duì)比分析、第二相分析和斷口微觀形貌分析，發(fā)現(xiàn)碟簧斷裂主要原因是熱處理工藝不當(dāng)，晶界處析出大量δ相導(dǎo)致材料韌性降低，并在外載荷作用下發(fā)生了沿晶脆性開裂。進(jìn)而明確了碟簧的固溶熱處理要求，即：在最低溫度為925～1 010 ℃之間進(jìn)行固溶熱處理并通過空冷或更快速方式冷卻，隨后進(jìn)行結(jié)構(gòu)硬化處理，包括在（720±10）℃保持8 h，然后在爐內(nèi)降溫到（620±10）℃，并在這個(gè)溫度保持10 h，隨后空氣冷卻。

穩(wěn)壓器噴淋閥；碟簧；斷裂；機(jī)理；熱處理

穩(wěn)壓器噴淋閥是核電廠關(guān)鍵敏感設(shè)備，用于核電廠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力控制和維持一回路均勻水化學(xué)。2019年初，某核電廠穩(wěn)壓器噴淋閥2RCP002VP所在噴淋管線溫度2RCP003MT從281.5 ℃異常突升到290.1 ℃，一回路壓力同步改變，穩(wěn)壓器比例式電加熱器輸入功率從50%上升到80%。運(yùn)行人員手動(dòng)投入一組通斷式電加熱器2RCP002RS，降低比例式電加熱器輸入功率，穩(wěn)定了一回路壓力。經(jīng)分析初步判斷穩(wěn)壓器噴淋閥的內(nèi)件異常，造成閥門通流面積增大，噴淋流量突然增大。

機(jī)組大修期間對(duì)穩(wěn)壓器噴淋閥2RCP002VP進(jìn)行解體，發(fā)現(xiàn)閥體內(nèi)的閥座碟簧已經(jīng)斷裂，一半殘留在閥腔內(nèi)，另一半掉落到穩(wěn)壓器中，造成閥芯和閥座間的預(yù)緊力喪失，導(dǎo)致介質(zhì)通流面積增大，符合預(yù)期判斷。碟簧的材質(zhì)為Inconel 718，外徑91.30 mm，內(nèi)徑68.30 mm，厚度0.74～0.79 mm，重18.60 g。為避免類似問題再次發(fā)生，對(duì)碟簧進(jìn)行了失效分析，并給出優(yōu)化措施。

1 檢測(cè)分析

1.1　宏觀檢查

失效碟簧正反面宏觀形貌如圖1所示。碟簧有兩個(gè)斷口，斷口較為平整，在正面可見一圈壓痕，背面內(nèi)圈存在磨痕，其中以兩個(gè)斷口為分界，右側(cè)部分內(nèi)圈磨痕更為光亮。

圖1　碟簧正反兩面宏觀形貌

1.2　尺寸測(cè)量

對(duì)失效碟簧的厚度、內(nèi)外徑差/2、內(nèi)徑、外徑進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果列于表 1。為防止斷口摩擦損傷，在測(cè)量?jī)?nèi)、外徑過程中，兩斷口間保持較小的間隙，因此內(nèi)外徑測(cè)量結(jié)果與實(shí)際尺寸存在一定偏差。比較實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值可知，碟簧尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3　化學(xué)成分分析

對(duì)失效碟簧和備件碟簧進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。兩種碟簧化學(xué)成分滿足設(shè)計(jì)要求。

表1　碟簧尺寸測(cè)量結(jié)果

表2　失效碟簧和備件碟簧化學(xué)成分分析結(jié)果 wt.%

1.4　硬度測(cè)試

為對(duì)比失效碟簧和備件碟簧的硬度，選用載荷1 kg，每隔2 mm測(cè)試碟簧的維氏硬度。結(jié)果如表3所示。失效碟簧的硬度值略低于備件。Inconel 718合金是一種沉淀強(qiáng)化型鎳基合金，硬度差異與彌散分布的沉淀相相關(guān)，若沉淀相較少，則硬度偏低；若沉淀相較多，則硬度偏高。

表3　失效碟簧和備件的硬度測(cè)試結(jié)果

1.5　微觀組織分析

運(yùn)用金相顯微鏡對(duì)備件碟簧和2RCP002VP失效碟簧進(jìn)行了顯微組織分析。備件碟簧的顯微組織如圖2所示，其低倍照片［見圖2（a）］表明，為奧氏體組織，晶粒尺寸比較均勻，存在孿晶；高倍照片［見圖2（b）］表明，在晶界、孿晶界處，有少量顆粒狀的第二相析出。失效碟簧的顯微組織如圖3所示。失效碟簧為奧氏體組織，晶粒尺寸不均勻，發(fā)生了晶粒長(zhǎng)大，存在孿晶，在晶界、孿晶界處，有大量顆粒狀的第二相析出。

圖2　備件碟簧的顯微組織

圖3　失效碟簧的顯微組織

圖3　失效碟簧的顯微組織（續(xù)）

比較備件碟簧和2RCP002VP斷裂碟簧的顯微組織，可以發(fā)現(xiàn)二者存在兩個(gè)明顯不同特征，其一：失效碟簧與備件相比，失效碟簧的微觀組織不均勻，晶粒尺寸相差較大，大晶粒直徑可達(dá)200～300 μm，小晶粒直徑不足50 μm。其二：失效碟簧的基體組織中，有大量的第二相顆粒分布在晶界，分布在晶界的第二相顆粒數(shù)量比備件多。

1.6　殘余應(yīng)力測(cè)試

使用XRD測(cè)試2RCP002VP失效碟簧的殘余應(yīng)力為（90.9±36.2）MPa，Inconel 718屈服強(qiáng)度至少為550 MPa，抗拉強(qiáng)度為965 MPa，測(cè)量的殘余應(yīng)力約為10%的抗拉強(qiáng)度[1]，判斷殘余應(yīng)力較小（見圖4）。

圖4　殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

1.7　第二相分析

運(yùn)用SEM觀察了2RCP002VP失效碟簧的微觀組織，并用EDS對(duì)晶界處析出的第二相顆粒進(jìn)行了成分分析。第二相形貌及分布如圖5所示。第二相主要分布在晶界處，三角晶界處分布尤為密集。EDS分析表明分布在晶界處的第二相顆粒為Ni、Nb、Fe、Cr、Mo的氧化物。

圖5　失效碟簧晶界處第二相的微觀形貌和成分分析結(jié)果

1.8　斷口微觀形貌分析

將備件碟簧人為拉斷，運(yùn)用SEM觀察其斷口微觀形貌，結(jié)果如圖6所示。斷口明顯呈韌窩狀，屬于韌性斷裂。

圖6　備件碟簧的斷口微觀形貌（a）100×；（b）1 000×

運(yùn)用SEM觀察了2RCP002VP失效碟簧斷口的微觀形貌，結(jié)果如圖7、圖8所示。圖7為斷口1的SEM形貌，可以觀察到沿晶脆性斷裂特征；圖8為斷口2的SEM形貌，斷口2大部分發(fā)生磨損，從未磨損區(qū)域仍能夠觀察到沿晶脆性斷裂特征，兩個(gè)斷口均呈現(xiàn)沿晶脆性斷裂特征。

2 結(jié)果討論

通過宏觀形貌分析、尺寸測(cè)量、殘余應(yīng)力測(cè)試、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、顯微組織對(duì)比分析、第二相分析、斷口微觀形貌分析等，可知：

（1）備件碟簧微觀組織均勻，有少量顆粒狀的第二相分布在晶界、孿晶界處。失效碟簧的微觀組織不均勻，晶粒尺寸相差較大，大晶粒直徑可達(dá)200～300mm，小晶粒直徑不足50mm。失效碟簧的基體組織中，有大量的顆粒狀第二相分布在晶界。

圖7　失效碟簧的斷口1微觀形貌（a）100×；（b）400×；（c）1 000×

圖8　失效碟簧的斷口2微觀形貌（a）100×；（b）1 600×

（2） EDS分析表明，晶界處析出的第二相富集Nb、Ni元素，不含C元素；

（3）備件碟簧斷口呈韌窩狀，屬于韌性斷裂；

（4）失效碟簧兩個(gè)斷口均呈現(xiàn)明顯的沿晶脆性斷裂特征。

穩(wěn)壓器噴淋閥的碟簧材質(zhì)Inconel 718合金是一種沉淀強(qiáng)化型鎳基變形高溫合金，主要組成相為基體γ相、δ相、碳化物，以及γ″相和γ′相兩種強(qiáng)化相。γ′相與基體γ相結(jié)構(gòu)相似，在時(shí)效時(shí)具有彌散均勻形核的特點(diǎn)，γ″相的一個(gè)γ″晶胞可以看作兩個(gè)γ′晶胞疊加起來形成的晶胞，在時(shí)效時(shí)也具有彌散均勻形核的特點(diǎn)，因此γ′相和γ″相在基體中析出時(shí)，往往在晶粒內(nèi)部均勻分布，不會(huì)大量分布在晶界處。而δ相與基體非共格，在晶內(nèi)析出相對(duì)困難，且由于晶界和孿晶界含有大量缺陷，可降低δ相形核所需的能量，因此δ相首先在晶界和孿晶界上析出[2]。EDS分析表明，晶界處析出的第二相富集Nb、Ni元素，不含C元素，因此排除碳化物、γ″相和γ′相，由此可以判斷失效碟簧晶界處析出的是δ相。

研究表明，δ相大量析出會(huì)引起強(qiáng)化相γ''、γ′相的減少，導(dǎo)致材料屈服強(qiáng)度降低，且δ相析出位置（晶界）是空洞易形成和長(zhǎng)大的地方，在外力作用下易于誘發(fā)材料導(dǎo)致沿晶開裂[3]。此外，在Inconel 718合金中，δ相與基體的接觸界面為大角度晶界，與基體無共格關(guān)系，當(dāng)δ相大量分布于晶界時(shí)，過多的δ相將降低材料的斷裂韌性[4]，δ相在載荷作用下自身斷裂形成微裂紋并通過微孔聚合長(zhǎng)大機(jī)制促進(jìn)裂紋擴(kuò)展，裂紋沿晶界擴(kuò)展，導(dǎo)致材料發(fā)生沿晶斷裂。

δ相沿晶界大量析出的原因是熱處理工藝不當(dāng)。在2RCP002VP失效碟簧的基體組織中，晶粒尺寸不均勻，且有大量的δ相顆粒分布在晶界。根據(jù)RCC-M規(guī)范，牌號(hào)NC19FeNb（即Inconel 718）的棒材的交貨狀態(tài)為：在最低溫度為925～1 010 ℃之間進(jìn)行固溶熱處理并通過空冷或更快速方式冷卻，隨后進(jìn)行結(jié)構(gòu)硬化處理，包括在（720±10）℃保持8 h，然后在爐內(nèi)降溫到（620±10）℃，并在這個(gè)溫度保持10 h，隨后空氣冷卻[5]。

在2RCP002VP失效碟簧的基體組織中，大量δ相沿晶界分布，表明在熱處理過程中晶界處析出的δ相沒有充分溶解，引起屈服強(qiáng)度和晶界調(diào)節(jié)塑性變形能力下降[6]，導(dǎo)致材料在外力作用下發(fā)生脆性沿晶斷裂現(xiàn)象。因此，穩(wěn)壓器噴淋閥2RCP002VP碟簧斷裂原因?yàn)闊崽幚砉に嚥划?dāng)，具體為固溶熱處理溫度偏低或熱處理時(shí)間過短。

3 結(jié)論

（1）失效碟簧的斷裂方式為脆性沿晶斷裂。

（2）失效碟簧在制造期間熱處理工藝不當(dāng)，熱處理溫度偏低或熱處理時(shí)間過短，在晶界處大量的δ相，導(dǎo)致材料韌性降低，在外載荷作用下發(fā)生了沿晶脆性開裂。

（3）為保證碟簧的強(qiáng)度，其材料Inconel 718合金須按照RCC-M規(guī)范進(jìn)行固溶熱處理。

［1］ 陸嘉文，等．鎳基高溫合金GH4169電解加工殘余應(yīng)力研究［J］．機(jī)械制造與自動(dòng)化，2021，50（06）：14-16+20．

［2］ Dedvallees Y，Bouzidi M，Bois F，et al．Delt Phase in Inconel718：Mechanical Properties and Forging Process Requirements［A］．Loria E A．Superalloys718，706 and Various Derivatives［C］．Warrendale：TMS，1994：281-291．

［3］ 孫艷容．熱處理制度對(duì)IN718變形合金組織和性能的影響［J］．金屬熱處理，2018，43：152-159．

［4］ 魏先平．熱處理對(duì)Inconel 718 合金組織及力學(xué)性能的影響［J］．材料熱處理學(xué)報(bào)，2012，33：53-58．

［5］ 碳鋼、合金鋼、不銹鋼、特殊合金、鑄鐵等金屬材料：RCC-M M篇［S］．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2010．

［6］ 葛鋒．熱處理對(duì)Inconel 718 合金組織與性能影響的研究進(jìn)展［J］．熱加工工藝，2013，42：177-180．

Fracture Mechanism Analysis of the Disc Spring on the Pressurizer Spray Control Valve

HU Wensheng1，ZHANG Xiaoyu1，WANG Yimei2，WU Qi3，GUO Chaofan1，XIE Zumiao1

（1. Fujian Fuqing Nuclear Power CO.LTD.，F(xiàn)uqing of Fujian Prov. 350318，China；2. China Nuclear Power Operation Technology CO.LTD.，Wuhan of Hubei Prov. 430073，China；3. Nuclear Power Operations Research Institute, Shanghai 200126, China）

The pressurizer spray control valve is the key equipment used for pressure control of the reactor coolant system and maintaining uniform water chemistry in the primary circuit in nuclear power plant. In view of the fracture case of the disc spring of the pressurizer spray control valve in a nuclear power plant, through the methods of macro morphology analysis, size measurement, residual stress test, chemical composition analysis, hardness test, microstructure comparative analysis, and second phase analysis and fracture micro morphology analysis, it is concluded that the reason for the fracture of the disc spring is the improper heat treatment process and a large number of cracks at the grain boundary of Phase δ, resulting in the decrease of toughness and intergranular brittle cracking under external load. Then, the requirements for the solution heat treatment of the disc spring are clarified, that is, the solution heat treatment is carried out at the minimum temperature of 925～1010℃ and cooled by air cooling or faster method, and then the structural hardening treatment is carried out, including maintaining at 720±10 ℃ for 8 hours, then cooling in the furnace to 620±10 ℃ and maintaining at this temperature for 10 hours, and then air cooling.

Pressurizer spray control valve; Disc spring; Crack; Mechanism; Heat treatment

文章標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：0258-0918（2022）06-1425-07

2022-01-20

胡文盛（1987—）男，福建龍巖人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)主要從事核電廠設(shè)備管理相關(guān)研究