核電廠主蒸汽疏水管線隔離閥閥座斷裂分析

羅 楊，何 穎

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

國內某核電廠大修期間進行蒸發器二次側環路保壓試驗時，3 個環路均出現無法保壓現象。故障排查后發現3 個環路的隔離閥均出現閥座斷裂和閥瓣受損的情況。閥門為氣動截止閥，閥座和閥瓣材料選用鎳基合金，閥瓣材料為HIP 鎳基合金（Gr.5），閥座材料為HIP 鎳基合金（Gr.4）。為進一步研究該共性問題的失效機理，從宏觀檢查和表面微觀形貌進行分析，提出解決辦法。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢查

閥瓣密封面存在多處明顯損傷，損傷位置位于密封面圓周方向約132°角度范圍內，其中約76°范圍內損傷較為嚴重。損傷部位呈扇形分布，下部存在疏松狀金屬堆積，上部呈現明顯的尖銳狀，底部較為光滑，未見明顯腐蝕特征。損傷部位周圍呈現白亮色，其他位置均呈現黑色。

閥座與墊圈接觸部位存在斷裂情況，斷裂位置位于閥座圓周方向約140°范圍內，其中閥座斷裂件位于約78°角度范圍內，緊鄰斷裂位置存在一處明顯裂紋。斷裂位置對應部位的閥座密封面存在損傷情況，其中圓周方向上與斷裂件位置相同部位處損傷較為明顯，其他部位損傷較輕微。除上述位置外，密封面未見損傷情況。

閥座斷口相對平齊，未見明顯的宏觀塑性變形，將斷裂件和閥座拼合，拼縫基本吻合。體式顯微觀察發現，斷口靠近石墨墊圈側存在一定寬度的黑色覆蓋層，且存在多處臺階，該側應為啟裂部位。通過對比斷口和未斷裂部位的截面形貌，啟裂位置處于閥座結構轉角部位，此處為應力集中部位。

1.2 化學成分分析

對閥瓣和閥座取樣，進行化學成分分析，測試標準為GB/T 20123—2006 及GB/T 223.5—2008，測試結果見表1。閥瓣和閥座化學成分接近于ASTM A494/A494M—2017a 中Ni-Cr 系列CY40 材料成分，無明顯異常。

表1 化學成分分析結果 wt.%

1.3 金相檢驗

對閥瓣和閥座分別截取試樣，試樣經鑲嵌、預磨、拋光，然后用王水溶液浸蝕后，進行閥瓣和閥座組織分析和閥瓣沖蝕形貌觀察，檢測標準為GB/T 13299—1991。金相檢驗結果見圖1，閥瓣沖蝕坑底附近部位邊部和心部金相組織為白色γ 基體+灰色細小的γ′相+較多黑色塊狀碳化物，及少量白色（γ+γ′）共晶。閥座斷裂部位邊部和心部金相組織與閥瓣基本一致，可見較多原始粉末輪廓，輪廓內可見殘留枝晶組織。閥瓣沖蝕形貌觀察結果顯示，閥瓣沖蝕部位上部形貌，損傷部位上部密封面較為光滑，未見損傷情況。閥瓣沖蝕部位局部形貌基本呈現下大上小，沖蝕方向與內部介質流動方向一致。閥座密封面未見損傷，近密封面處存在一處裂紋。閥座斷口處斷口相對平齊。

圖1 閥瓣和閥座金相組織

1.4 硬度試驗

在閥瓣和閥座上取樣，進行密封面洛氏硬度試驗，檢測標準為GB/T 231.1—2009，表2 為硬度試驗結果。表明閥瓣和閥座密封面的硬度較為均勻，均值分別為55.0 HRC 和48 HRC，硬度差值為8.2 HRC。NB/T 47044—2014 標準規定，閥瓣和閥座的密封面之間應保持3～5 HRC 硬度差，實際差值已經明顯超出該標準要求。

表2 硬度檢驗結果HRC

在金相試樣上平行密封面位置進行維氏硬度試驗，檢測標準為GB/T 4340.1—2009，閥瓣正常部位和沖蝕部位顯微硬度較為均勻，平均值均在600 HV 左右，閥座密封面顯微硬度較為均勻，平均值在546 HV。

1.5 斷口微觀分析

對閥座斷口進行微觀形貌分析，測試標準為JY/T 010—1996。結果顯示，啟裂區存在多處臺階，表面覆蓋一層黑色產物；擴展區和終斷區主體為沿粉末原始輪廓脆性開裂的斷口特征。對閥座斷口啟裂區黑色覆蓋物進行能譜分析，黑色覆蓋物主要為C 和少量的O、Si、Fe、Ni 等元素。從檢測結果分析該覆蓋物為膨脹石墨。

1.6 損傷區微觀分析

對閥瓣密封面和閥座密封面損傷部位表面進行微觀形貌分析，測試標準為JY/T 010—1996，結果見圖2，顯示沖蝕形貌方向與介質流動方向一致。

圖2 閥瓣及閥座損傷微觀觀察結果

2 分析與討論

本次閥座和閥瓣材料均選用鎳基合金，化學成分接近于標準ASTM A494/A494M—2017a 中Ni-Cr 系列CY40，該材料廣泛用于閥門密封面部位。因此，從閥門密封面材料選擇來看，符合閥門通用選材要求。

理化檢驗結果分析得知，閥座材料組織中存在較多的原始粉末輪廓和黑色塊狀碳化物，在粉末內存在較多殘留枝晶。對于粉末冶金部件，顯微組織中不應再殘留較多的粉末輪廓，否則將明顯降低粉末間結合力。這種結合結構連同黑色塊狀碳化物和殘留枝晶一起，會顯著降低部件整體的抗沖擊性能。閥座斷口微觀特征主體表現為裂紋沿著粉末輪廓擴展，這種裂紋擴展形式與材料組織特征吻合，說明它的斷裂與閥座材料組織不良有關。從宏觀檢查和表面微觀形貌分析結果來看，閥瓣和閥座密封面均存在明顯的沖蝕痕跡，沖蝕方向和閥門開啟狀況下內部介質流動方向一致。從宏觀分析看，閥座斷裂區域和閥瓣、閥座沖蝕部位基本吻合。據此判斷，閥座因組織不良，在閥門動作產生的數次沖擊力作用下首先發生斷裂失效，進而引起閥瓣和閥座間的密封間隙變化。當閥門閉合后，由于密封間隙變化，導致疏水可以從高壓側（閥門入口側）經間隙向低壓側（閥門出口側）噴射出去，對間隙兩側金屬構成沖蝕。

3 結論及建議

（1）閥座和閥瓣材料滿足閥門通用選材要求；化學成分接近于ASTM A494/A494M—2017a 中CY40 材料；閥瓣和閥座材料金相組織為白色γ 基體+灰色細小的γ′相，組織中存在較多黑色塊狀碳化物，并可見原始粉末輪廓和少量的白色（γ+γ′）共晶，輪廓內可見殘留枝晶組織；閥座和閥瓣密封面硬度分布均勻，兩者之間差值較大，差值超過NB/T 47044—2014 標準規定。

（2）閥座斷口整體表現為脆性開裂特征，材料脆性大，抗沖擊性能差。這種較差的力學性能與材料的顯微組織不良有關。閥瓣和閥座密封面損傷性質為沖蝕損傷，它是在閥座閥瓣開裂后，高壓疏水快速通過密封面的過程中形成的。

針對以上結論，需在制造廠生產階段嚴格控制閥門產品質量，通過合金成分、HIP 工藝以及后續熱處理控制，避免材料中存在較多原始粉末輪廓、過多碳化物和枝晶組織。