核電廠高壓缸抽汽管線疏水管道焊縫泄漏原因

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(國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233)

0 引 言

某核電廠自2007年運(yùn)行以來(lái)已發(fā)生多起高壓缸抽汽管線疏水管道泄漏事故，泄漏通常發(fā)生在疏水管道氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥后的第一個(gè)或第二個(gè)彎頭焊縫上。該核電廠2號(hào)機(jī)組在運(yùn)行期間其疏水管道中第二個(gè)彎頭出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，經(jīng)滲透檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，泄漏的位置在承插焊縫上。彎頭與其所連接直管段材料均為304L不銹鋼，彎頭的公稱直徑為50 mm，直管段的尺寸為φ60.3 mm×5.54 mm；焊接方式為承插焊，采用直徑2.5 mm的H03Cr21Ni9焊絲，直流正接，焊接電流為143 A，電壓為12 V。管線中運(yùn)行的介質(zhì)為汽液兩相流，溫度約為150 ℃，閥前壓力為3.132 MPa，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟頻率為每10 min 8～9次，通過(guò)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的啟閉進(jìn)行間歇性疏水。為了找到泄漏原因，作者對(duì)該泄漏焊縫進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

失效焊縫在疏水管道中的位置及宏觀形貌如圖1所示，泄漏位置位于直管與彎頭的焊縫上，該彎頭為45°彎頭。

由2(a)可知，在承插焊縫中存在一條長(zhǎng)約4 cm的裂紋，同時(shí)在裂紋下方的管道上有明顯的泄漏痕跡。沿著圖2(b)所示的取樣區(qū)域?qū)κР课贿M(jìn)行切割，顯微組織分析區(qū)域如圖2(c)所示。由圖2(d)可知，裂紋已貫穿整個(gè)焊縫，且由內(nèi)向外(焊根至焊趾)裂紋的寬度逐漸減小。

圖1 失效焊縫在疏水管道中的位置及宏觀形貌Fig.1 Location (a) and macroscopic morphology (b) of the failure weld in drain pipe

圖2 失效焊縫的整體形貌、取樣位置、顯微組織觀察區(qū)域和裂紋形貌Fig.2 Overall morphology (a), sampling position (b), observation area of microstructure (c) and morphology of fracture (d) of the failure weld

1.2 顯微組織

分別在如圖2(c)所示的直管、彎頭和焊縫處截取金相試樣，經(jīng)磨制、拋光，用體積分?jǐn)?shù)10%的硫酸銅鹽酸溶液腐蝕后，在蔡司Axio Imager A2m型光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織。由圖3可知：直管的顯微組織為孿晶奧氏體，沿管道軸線方向存在明顯的軋制流線；彎頭的顯微組織為孿晶奧氏體+少量骨骼狀的δ鐵素體；焊縫組織是由奧氏體+殘留δ鐵素體組成的柱狀晶組織。綜上可知，直管、彎頭以及焊縫的顯微組織均未發(fā)現(xiàn)任何異常。

1.3 斷口形貌

將圖2(c)所示的試樣沿表面裂紋斷開(kāi)，觀察斷口宏觀形貌。由圖4可知：裂紋已貫穿焊縫表面，焊縫斷口存在氧化現(xiàn)象，且由內(nèi)向外(焊根至焊趾)氧化現(xiàn)象逐漸減弱；焊縫外側(cè)邊緣光亮，無(wú)明顯氧化現(xiàn)象，焊縫外側(cè)為瞬斷區(qū)。由此可見(jiàn)，焊縫處的裂紋由焊根向焊趾擴(kuò)展，這與宏觀形貌的分析結(jié)果一致。

采用JSM 6700型掃描電鏡觀察圖4(c)中圓圈所示區(qū)域的微觀形貌。由圖5可知：在焊根位置處存在多處疲勞裂紋源，呈多源疲勞現(xiàn)象[1]；中部為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，裂紋沿著疲勞擴(kuò)展線逐漸向焊縫外側(cè)擴(kuò)展；焊縫外側(cè)為瞬斷區(qū)，這是由于當(dāng)裂紋擴(kuò)展到該區(qū)域時(shí)，斷口的有效受力面積減小，單位面積承受的載荷過(guò)大，導(dǎo)致瞬間斷裂。由此可知，局部疲勞損傷是造成焊縫開(kāi)裂的主要原因[2]。

圖3 直管、彎頭以及焊縫的顯微組織Fig.3 Microstructures of the straight pipe (a), elbow (b) and weld (c)

圖4 失效焊縫斷口的宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of fracture of the failure weld: (a) surface cracks on the weld; (b) fracture at the straight pipe side and (c) fracture at the elbow side cleaned by the ultrasonic alcohol liquid

圖5 失效焊縫斷口的微觀形貌Fig.5 Microscopic morphology of fracture of the failure weld: (a) inner side; (b) middle area and (c) outer side

1.4 運(yùn)行振動(dòng)參數(shù)

采用Fluke 805型加速度振動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)失效焊縫所在管道在水平以及垂直方向上的振動(dòng)速度峰值。測(cè)試結(jié)果表明：管道在穩(wěn)態(tài)下的振動(dòng)速度峰值在1.4～1.6 mm·s-1，氣動(dòng)疏水閥開(kāi)啟瞬間的振動(dòng)速度峰值在2.0～2.6 mm·s-1，這滿足DL/T 1103-2009中規(guī)定的振動(dòng)速度峰值應(yīng)小于21.3 mm·s-1的要求。由此可知，管道振動(dòng)對(duì)其疲勞失效的影響較小。

1.5 運(yùn)行溫度與應(yīng)力

在管道運(yùn)行期間，采用光纖原位應(yīng)變測(cè)量方法，通過(guò)在失效焊縫前后管道各布置一圈光纖傳感器進(jìn)行溫度與應(yīng)變測(cè)試。由測(cè)試結(jié)果可知：失效焊縫前后管道的溫度變化分別約為70，40 ℃，應(yīng)變變化分別為1 630×10-6和1 230×10-6，由式(1)計(jì)算出的應(yīng)力分別為317.85，229.00 MPa。

σ=Eε

(1)

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；E為彈性模量，1.95×103MPa。

采用Charon SEIFERT型 X射線衍射應(yīng)力分析儀測(cè)失效焊縫處的殘余應(yīng)力，結(jié)果表明，該焊縫切向方向上存在較大拉應(yīng)力，最高可達(dá)204 MPa。

2 失效原因分析

上述檢測(cè)結(jié)果表明：直管、彎頭以及承插焊縫的顯微組織均正常；失效焊縫所在管道的振動(dòng)速度峰值在規(guī)定范圍內(nèi)，管道振動(dòng)對(duì)其疲勞失效的影響較小；局部疲勞損傷是造成焊縫開(kāi)裂的主要原因。

當(dāng)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟后，流體的瞬時(shí)沖擊使管道產(chǎn)生較大的應(yīng)力；當(dāng)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后，管道內(nèi)不存在流體沖擊，在管道本身重力及其剛性約束的作用下，管道應(yīng)力降低到最小值。隨著氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉與開(kāi)啟，管道上產(chǎn)生交變應(yīng)力。焊縫是管道的薄弱部位，對(duì)疲勞工況非常敏感，在交變應(yīng)力作用下，其焊根處產(chǎn)生疲勞源。由奧氏體不銹鋼的S-N曲線可知，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于106周次，應(yīng)力大于奧氏體不銹鋼的疲勞強(qiáng)度(194 MPa)[3-4]時(shí)，奧氏體不銹鋼管道會(huì)出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，失效焊縫處的交變應(yīng)力均大于194 MPa，且應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于106周次，超過(guò)其疲勞強(qiáng)度，周而復(fù)始，從而導(dǎo)致焊縫的疲勞開(kāi)裂[5]。同時(shí)，焊縫中存在較大的殘余拉應(yīng)力促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。

3 結(jié)論與措施

(1) 焊縫失效的主要原因?yàn)闅鈩?dòng)調(diào)節(jié)閥的間歇性開(kāi)啟與關(guān)閉造成焊縫中產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力，且應(yīng)力超過(guò)了焊縫的疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致其疲勞開(kāi)裂，同時(shí)焊縫中存在的殘余拉應(yīng)力促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。

(2) 將間歇式疏水改成連續(xù)疏水，并在氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥回路上外加一條疏水管道旁路，消除由氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的啟閉而引起的流體沖擊。采用該措施對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道進(jìn)行改造后，運(yùn)行2 a多以來(lái)未再發(fā)現(xiàn)類(lèi)似焊縫漏水事故。

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