某核電站閥桿斷裂失效分析

梁威

遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116000

1 序言

核電廠(chǎng)循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CFI系統(tǒng)）是常規(guī)島冷卻水系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是通過(guò)對(duì)機(jī)組所需使用的全部海水進(jìn)行過(guò)濾，以保護(hù)使用海水的系統(tǒng)設(shè)備免受堵塞和生物腐蝕的危害[1]。閥門(mén)作為核電各系統(tǒng)中的重要部件，其對(duì)電站安全可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)生事故電廠(chǎng)的案例統(tǒng)計(jì)，閥門(mén)故障導(dǎo)致的事故比重很大；同時(shí)，核電站閥門(mén)的維修費(fèi)用已占維修總額的50%以上[2-4]。

某核電廠(chǎng)CFI系統(tǒng)一閥門(mén)閥桿發(fā)生斷裂，閥門(mén)型號(hào)為DN200手動(dòng)襯膠蝶閥，斷裂閥桿材質(zhì)為2507雙相不銹鋼。斷裂閥桿宏觀(guān)形貌如圖1所示。本文通過(guò)宏觀(guān)形貌觀(guān)察、化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)，以及顯微組織和掃描電鏡斷口檢驗(yàn)，對(duì)閥桿斷裂產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

圖1 斷裂閥桿宏觀(guān)形貌

2 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

2.1 宏觀(guān)分析

對(duì)閥桿斷口及附近表面進(jìn)行宏觀(guān)檢測(cè)，如圖2～圖4所示。斷裂位置位于方榫段上，距離方榫段與圓柱段過(guò)渡處較近，斷口基本垂直于閥桿軸向，沿閥桿橫截面斷裂；斷口表面呈新鮮的金屬光澤，無(wú)明顯腐蝕特征；斷口表面周向扭轉(zhuǎn)磨損痕跡明顯，從表面向心部，大部分區(qū)域均有磨損，磨損處顏色較亮，中心無(wú)明顯磨損的區(qū)域呈銀灰色（見(jiàn)圖2）。斷口附近閥桿各平整表面相交的4個(gè)棱角處也有明顯的扭轉(zhuǎn)變形特征（見(jiàn)圖3）。通過(guò)上述檢查結(jié)果可以看出，斷裂閥桿宏觀(guān)上具備扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂特征。此外，斷口附近閥桿的4個(gè)平整表面雖然均較為粗糙，呈麻坑狀，但均為銀亮的金屬光澤，無(wú)明顯腐蝕，結(jié)合斷口邊緣也未見(jiàn)明顯腐蝕可以判斷，麻坑狀的粗糙表面應(yīng)為原始制造表面，與腐蝕無(wú)關(guān)（見(jiàn)圖4）。

圖2 斷口宏觀(guān)形貌

圖3 斷口附近閥桿各棱角扭轉(zhuǎn)變形形貌

圖4 斷口附近閥桿各面粗糙麻坑狀形貌

2.2 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂閥桿取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。參考GB/T 31303—2014《奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼棒》規(guī)定的022Cr25Ni7Mo4N（2507）不銹鋼化學(xué)成分，閥桿材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可排除材質(zhì)錯(cuò)用等問(wèn)題。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.3 硬度測(cè)試

對(duì)斷裂閥桿取樣進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2，斷裂閥桿硬度值符合GB/T 31303—2014要求。

表2 硬度測(cè)試結(jié)果 （HBW）

2.4 金相檢驗(yàn)

圖5所示為斷口附近橫截面取樣及縱截面取樣金相組織。閥桿金相組織為鐵素體基體上分布著小島狀的奧氏體，組織沿縱向呈帶狀分布，鐵素體和奧氏體兩相比例接近1∶1。

圖5 斷口附近取樣顯微組織形貌

2.5 斷口微觀(guān)分析

圖6所示為閥桿斷口在掃描電鏡下的微觀(guān)形貌。除中心區(qū)域附近外，其余位置均呈現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)未磨損的區(qū)域還能看到明顯的韌窩，韌窩呈一定的拉長(zhǎng)變形特征；中心區(qū)域?yàn)榫鶆虻募?xì)小韌窩，無(wú)明顯磨損，表明該區(qū)域?yàn)樽罱K斷裂區(qū)域。

圖6 斷口微觀(guān)形貌

3 分析討論

斷裂閥桿的各項(xiàng)理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，閥桿化學(xué)成分及硬度值滿(mǎn)足GB/T 31303—2014要求；金相組織為鐵素體基體上分布著小島狀?yuàn)W氏體，兩相比例接近1∶1，符合2507雙相不銹鋼的組織要求，材質(zhì)未見(jiàn)明顯異常。

閥桿斷口宏觀(guān)上呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)斷裂特征[5]，除斷口中心區(qū)域無(wú)明顯的磨損外，斷口表面大部分區(qū)域均磨損嚴(yán)重，未磨損的局部區(qū)域能看到拉長(zhǎng)韌窩形貌，為閥桿因到扭轉(zhuǎn)作用力而形成的撕裂韌窩。斷口中心為最終斷裂區(qū)域，微觀(guān)上為等軸韌窩形貌。此外，斷口附近閥桿各平整表面相交的4個(gè)棱角處也有明顯的扭轉(zhuǎn)變形特征。由此可見(jiàn)，本次閥桿斷裂性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂。

根據(jù)閥門(mén)結(jié)構(gòu)，閥門(mén)安裝后，閥軸的方榫段與蝶板配合，使閥軸的扭轉(zhuǎn)力通過(guò)方榫段傳遞給蝶板，帶動(dòng)閥門(mén)的閉合。當(dāng)閥門(mén)閉合動(dòng)作受到干涉（如異物等）時(shí)，蝶板及方榫段旋轉(zhuǎn)受阻，若對(duì)閥軸施加較大的扭轉(zhuǎn)力，將可能導(dǎo)致未與蝶板配合的閥軸部分出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)過(guò)載。根據(jù)本次斷裂閥軸的特征，未與蝶板配合的一側(cè)斷口附近4個(gè)棱角處出現(xiàn)了明顯的扭轉(zhuǎn)變形特征，與上述假設(shè)情況相符。由此進(jìn)一步證明，本次閥軸斷裂的直接原因?yàn)殚y軸方榫段承受扭矩過(guò)大，造成了閥軸方榫段扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂。

2507雙相不銹鋼（25Cr-7Ni-4Mo-0.27N）經(jīng)適當(dāng)固溶處理后，顯微組織為α相、γ相、之比約為1∶1的雙相結(jié)構(gòu)，不但具有良好的抗點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、均勻腐蝕和應(yīng)力腐蝕的能力，而且具有較好的強(qiáng) 韌性[6，7]。此外，宏觀(guān)檢查排除了本次斷裂與腐蝕的關(guān)系，斷口表面微觀(guān)上未磨損的區(qū)域均能看到撕裂韌窩形貌，也反映出該斷裂閥桿具有較好的韌性。韌性材料靜載斷裂對(duì)缺口的敏感性較小，因此閥桿表面粗糙對(duì)本次扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂的影響較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上檢驗(yàn)結(jié)果及分析，閥桿材料化學(xué)成分、顯微組織和硬度均滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，材質(zhì)未見(jiàn)異常，造成此次海水蝶閥閥桿斷裂的主要原因?yàn)榕まD(zhuǎn)過(guò)載斷裂，與現(xiàn)場(chǎng)維修工程師反饋的由于管道襯膠干涉蝶板動(dòng)作，導(dǎo)致閥軸處受力過(guò)大產(chǎn)生斷裂的判斷相符。由此可見(jiàn) ，本次閥桿斷裂與閥桿本身材質(zhì)及所處環(huán)境無(wú)關(guān)，應(yīng)為閥桿強(qiáng)度不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求所致，建議對(duì)該類(lèi)型閥桿重新進(jìn)行強(qiáng)度校核或閥門(mén)選型。