某核電機組高壓缸缸體外表面裂紋分析

梁青松　張維

摘 要：高壓缸上本體、支撐桿、焊縫組織均未發現異常，坑底裂紋發生在熔合線附近的粗晶區中，由焊趾部位開始，裂紋尖端延伸至細晶區。裂紋開裂位置位于高壓缸缸體內支撐桿與焊縫接觸面位置。高壓缸支撐桿結構，缸體外部2#裂紋及現場深挖位置。現場對泄漏部位進行金相檢驗，發現已泄漏的2#支撐桿存在裂紋，并有針對性地對其余11根支撐桿外部堆焊層進行低倍檢驗。在檢驗的過程中發現1#支撐桿焊縫位置存在不同程度的裂紋。該文擬對這些裂紋的分布及其特征進行分析，著重研究1#和2#支撐桿焊縫的金相組織；并提出焊接工藝改進的建議。

關鍵詞：高壓缸 缸體 支撐桿 裂紋

中圖分類號：TG441 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0084-02

某運行核電廠4#機組高壓缸發生泄漏，泄漏部位位于高壓缸缸體支撐桿區域，該缺陷部位內部運行蒸汽壓力為1.03 MPa，運行溫度為181.4 ℃。缸體設計材質為ZG15Cr2Mol，其合金元素含量高，且S、P等雜質含量較高，可焊性較差，焊接過程中易產生裂紋及點狀缺陷[1-3]。

高壓缸支撐桿結構，缸體外部2#裂紋及現場深挖位置。現場對泄漏部位進行金相檢驗，發現已泄漏的2#支撐桿存在裂紋，并有針對性地對其余11根支撐桿外部堆焊層進行低倍檢驗。在檢驗的過程中發現#1支撐桿焊縫位置存在不同程度的裂紋。該文擬對這些裂紋的分布及其特征進行分析，著重研究#1和#2支撐桿焊縫的金相組織；并提出焊接工藝改進的建議。

依據GB/T13299-1991《鋼的顯微組織評定方法》進行金相檢驗，檢驗位置包括電端6根和調端6根支撐桿與缸體焊接位置。根據GB/T17394-1998《金屬里氏硬度試驗》，使用Equotip bambino2金屬里氏硬度計在金相位置上進行硬度測試。現場切割高壓缸裂紋試樣，借助TESCAN VEGA TS5136XM掃描電子顯微鏡對裂紋斷面進行微觀形貌分析。

1 試驗結果與討論

1.1 金相觀察

支撐桿位置見圖1。

為調端的焊縫表面形貌。1#支撐桿焊縫的熔合線附近有少量的夾渣缺陷，焊縫中有裂紋，長度約40 mm，未發現未焊透、未熔合、氣孔等焊接缺陷。2#支撐桿焊縫熔合線附近及焊縫中有裂紋，沿支撐桿外圓方向分布。3#、4#、5#和6#支撐桿焊縫的熔合線附近有少量的夾渣缺陷，未發現未焊透、未熔合、氣孔、裂紋等焊接缺陷。

圖2（a）顯示2#支撐桿第一處高壓缸上缸體的金相組織為鐵素體+貝氏體，晶粒度3～4級；焊縫熔合良好，未發現焊接缺陷（圖2（b））；焊縫金相組織為回火貝氏體，未發現焊接缺陷（圖2（c））。

1.2 SEM觀察

1#支撐桿試樣的掃描電鏡形貌如圖3所示。由圖可見，裂紋斷面宏觀上較為平整，沒有明顯的塑性變形，斷面存在一定程度的氧化；斷面內側有兩處明顯的缺陷，缺陷尺寸相當，約10.5 mm×2.4 mm；斷面微觀形貌為枝狀晶形貌，呈沿晶斷裂特征。其主要原因為焊后再次加熱到500 ℃～700 ℃時，在熱影響區的過熱區內，由于碳化物析出引起的晶內二次強化，而一些弱化晶界的微量元素的析出，以及使焊接應力松弛時的附加變形集中于晶界，而導致沿晶開裂。因此，這種裂紋具有晶間開裂的特征，并且多發生在存在應力集中的熱影響區粗晶區內。

在金相位置上進行硬度測試，結果見圖4。缸體12處本體及焊縫的硬度結果均滿足標準要求（DL/T 438-2009）。

2 結論與建議

（1）檢驗高壓缸上本體、支撐桿、焊縫組織均未發現異常，坑底裂紋發生在熔合線附近的粗晶區中，從焊趾部位開始，裂紋尖端延伸至細晶區，表現為焊接再熱裂紋特征。

（2）裂紋開裂位置位于高壓缸缸體內支撐桿與焊縫接觸面位置，由于支撐桿與缸體間存在一定的間隙，導致該位置存在較大的應力集中，設備在運行的過程中，設備的振動促進了裂紋的擴展，并最終導致部件失效。

（3）建議在制定焊后熱處理工藝時，應盡量減少焊件在敏感溫度范圍內的停留時間。

（4）在條件允許的前提下，建議合理控制升溫速度，減小再熱裂紋敏感區停留時間，防止產生再熱裂紋；冷卻速度也應合理控制。

（5）減少焊接應力，合理地安排焊接順序、減少余高、避免咬邊及根部未焊透等缺陷以減少焊接應力。

（6）在設計上，考慮支撐桿與缸體內表面接觸面處也進行焊接，增加該位置的強度，并減輕應力集中。

參考文獻

[1] 葛煉偉，唐世延，李太江，等.某核電機組高壓缸裂紋的焊接修復[J].熱力發電，2014，43（1）：137-139.

[2] 姜求志，王金瑞.火力發電廠金屬材料手冊[M].北京：中國電力出版社，2000.

[3] 姚兵印，李太江，康豫軍，等.除氧頭接管座焊縫開裂分析及修復.熱力發電，2010，39（7）：98-100.