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

核電廠循環水過濾系統（以下簡稱CFI系統）是常規島冷卻水系統的重要組成部分，其主要功能是通過對機組所需使用的全部海水進行過濾，以保護使用海水的系統設備免受堵塞和生物腐蝕的危害[1]。閥門作為核電各系統中的重要部件，其對電站安全可靠運行起著至關重要的作用。據國際原子能機構對發生事故電廠的案例統計，閥門故障導致的事故比重很大；同時，核電站閥門的維修費用已占維修總額的50%以上[2-4]。

某核電廠CFI系統一閥門閥桿發生斷裂，閥門型號為DN200手動襯膠蝶閥，斷裂閥桿材質為2507雙相不銹鋼。斷裂閥桿宏觀形貌如圖1所示。本文通過宏觀形貌觀察、化學成分分析、硬度檢測，以及顯微組織和掃描電鏡斷口檢驗，對閥桿斷裂產生原因進行分析。

圖1 斷裂閥桿宏觀形貌

2 理化檢驗及結果

2.1 宏觀分析

對閥桿斷口及附近表面進行宏觀檢測，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，無明顯腐蝕特征；斷口表面周向扭轉磨損痕跡明顯，從表面向心部，大部分區域均有磨損，磨損處顏色較亮，中心無明顯磨損的區域呈銀灰色（見圖2）。斷口附近閥桿各平整表面相交的4個棱角處也有明顯的扭轉變形特征（見圖3）。通過上述檢查結果可以看出，斷裂閥桿宏觀上具備扭轉過載斷裂特征。此外，斷口附近閥桿的4個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，無明顯腐蝕，結合斷口邊緣也未見明顯腐蝕可以判斷，麻坑狀的粗糙表面應為原始制造表面，與腐蝕無關（見圖4）。

圖2 斷口宏觀形貌

圖3 斷口附近閥桿各棱角扭轉變形形貌

圖4 斷口附近閥桿各面粗糙麻坑狀形貌

2.2 化學成分分析

對斷裂閥桿取樣進行化學成分分析，結果見表1。參考GB/T 31303—2014《奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼棒》規定的022Cr25Ni7Mo4N（2507）不銹鋼化學成分，閥桿材料的化學成分符合標準要求，可排除材質錯用等問題。

表1 化學成分分析結果（質量分數） （%）

2.3 硬度測試

對斷裂閥桿取樣進行硬度測試，結果見表2，斷裂閥桿硬度值符合GB/T 31303—2014要求。

表2 硬度測試結果 （HBW）

2.4 金相檢驗

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 斷口微觀分析

圖6所示為閥桿斷口在掃描電鏡下的微觀形貌。除中心區域附近外，其余位置均呈現明顯的扭轉未磨損的區域還能看到明顯的韌窩，韌窩呈一定的拉長變形特征；中心區域為均勻的細小韌窩，無明顯磨損，表明該區域為最終斷裂區域。

圖6 斷口微觀形貌

3 分析討論

斷裂閥桿的各項理化檢驗結果表明，閥桿化學成分及硬度值滿足GB/T 31303—2014要求；金相組織為鐵素體基體上分布著小島狀奧氏體，兩相比例接近1∶1，符合2507雙相不銹鋼的組織要求，材質未見明顯異常。

閥桿斷口宏觀上呈現扭轉斷裂特征[5]，除斷口中心區域無明顯的磨損外，斷口表面大部分區域均磨損嚴重，未磨損的局部區域能看到拉長韌窩形貌，為閥桿因到扭轉作用力而形成的撕裂韌窩。斷口中心為最終斷裂區域，微觀上為等軸韌窩形貌。此外，斷口附近閥桿各平整表面相交的4個棱角處也有明顯的扭轉變形特征。由此可見，本次閥桿斷裂性質為扭轉過載斷裂。

根據閥門結構，閥門安裝后，閥軸的方榫段與蝶板配合，使閥軸的扭轉力通過方榫段傳遞給蝶板，帶動閥門的閉合。當閥門閉合動作受到干涉（如異物等）時，蝶板及方榫段旋轉受阻，若對閥軸施加較大的扭轉力，將可能導致未與蝶板配合的閥軸部分出現扭轉過載。根據本次斷裂閥軸的特征，未與蝶板配合的一側斷口附近4個棱角處出現了明顯的扭轉變形特征，與上述假設情況相符。由此進一步證明，本次閥軸斷裂的直接原因為閥軸方榫段承受扭矩過大，造成了閥軸方榫段扭轉過載斷裂。

2507雙相不銹鋼（25Cr-7Ni-4Mo-0.27N）經適當固溶處理后，顯微組織為α相、γ相、之比約為1∶1的雙相結構，不但具有良好的抗點腐蝕、縫隙腐蝕、均勻腐蝕和應力腐蝕的能力，而且具有較好的強 韌性[6，7]。此外，宏觀檢查排除了本次斷裂與腐蝕的關系，斷口表面微觀上未磨損的區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缺口的敏感性較小，因此閥桿表面粗糙對本次扭轉過載斷裂的影響較小。

4 結束語

綜合以上檢驗結果及分析，閥桿材料化學成分、顯微組織和硬度均滿足相關標準要求，材質未見異常，造成此次海水蝶閥閥桿斷裂的主要原因為扭轉過載斷裂，與現場維修工程師反饋的由于管道襯膠干涉蝶板動作，導致閥軸處受力過大產生斷裂的判斷相符。由此可見 ，本次閥桿斷裂與閥桿本身材質及所處環境無關，應為閥桿強度不滿足設計要求所致，建議對該類型閥桿重新進行強度校核或閥門選型。