蒸汽發生器換熱管雙螺旋斷口形成原因

涂 強,范海平

(上海核工程研究設計院有限公司,上海 200233)

蒸汽發生器換熱管是核反應堆一、二回路及其介質之間最重要的隔離層[1]，換熱管壁很薄，在運行過程中換熱管發生質量問題時，核電廠將采用堵管的方式，避免一回路中的放射性介質流入到二回路中，否則會引起電站發電功率的降低以及增大放射性物質泄漏的風險。換熱管是連續批量生產的,且價值較高，生產制造過程中為避免換熱管出現大規模報廢，需要對不穩定的因素進行原因分析并及時排除，因此，筆者對換熱管在進行高溫拉伸試驗時出現雙螺旋斷口的原因進行分析，并制定相應的預防措施，以避免該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

分別選取國外(1#試樣)和國內(2#試樣)廠家制造的出現雙螺旋斷口的換熱管及同批次正常斷口換熱管進行宏觀觀察，結果如圖1所示。

圖1 1#，2#試樣及同批次正常斷口換熱管的宏觀形貌

1.2 力學性能測試

分別在1#，2#試樣上截取拉伸試樣,再次進行350 ℃高溫拉伸試驗，并選取1#，2#試樣同批次換熱管各10根，進行350 ℃高溫拉伸試驗，結果如表1所示。由表1可知：1#試樣在第二次拉伸試驗后，試樣的斷口仍為雙螺旋斷口，2#試樣在第二次拉伸試驗后斷口正常，由此可確定上述情況屬于小概率事件。

表1 1#，2#試樣和同批次換熱管的350 ℃高溫拉伸試驗結果

根據廠家提供整個項目換熱管的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率的分布情況可知，出現雙螺旋斷口試樣的屈服強度和抗拉強度均處于正常置信區間內，且材料整個生產制造工藝高度穩定。結合上述試驗結果可以確定，雙螺旋斷口的出現與材料本身無關。

分別在1#，2#試樣上各截取6根拉伸試樣，進行400，450℃高溫拉伸試驗，結果如表2所示。由表2可知：隨著拉伸試驗的溫度升高，出現雙螺旋斷口的概率增大，且國內廠家出現雙螺旋斷口的概率要低于國外廠家。

國內廠家采用新型的高溫拉伸熱處理爐，國外廠家采取相對老舊的高溫拉伸熱處理爐，需要靠熱處理爐底部的石棉密封進行保溫，如果密封不夠緊密，在升溫時會出現溫度過沖現象，導致試樣在高溫區間停留，且保溫時間更長。選取1#試樣同批次的8根換熱管，模擬發生溫度過沖的350 ℃高溫拉伸試驗，出現雙螺旋斷口的概率達到了50%。因此，可以確定雙螺旋斷口的出現主要是溫度原因引起的。

表2 1#，2#試樣的400，450 ℃高溫拉伸試驗結果

1.3 金相檢驗

對經過熱處理后的1#，2#試樣進行金相檢驗，結果如圖2所示。由圖2可知：1#，2#試樣的晶粒度等級分別為5.5級和6級，均滿足ASTM E112—2017StandardTestMethodsforDeterminingAverageGrainSize的要求；1#，2#試樣均有少量的碳化物，碳化物主要沿晶界連續析出，形成耐化學和電化學腐蝕的雙重保護機制，1#,2#試樣的顯微組織均滿足ASTM E112—2017的要求。

圖2 1#，2#試樣的顯微組織形貌

1.4 掃描電鏡(SEM)分析

選取350，400，450，500 ℃高溫拉伸試驗的正常斷口進行SEM分析，結果如圖3所示。由圖3可知：350 ℃高溫拉伸斷口基本沒有發現層狀撕裂，隨著溫度的升高，斷口中韌窩數量明顯增加，當溫度為400 ℃時，斷口開始出現層狀撕裂現象，且層狀撕裂隨溫度升高越來越明顯。

450 ℃高溫拉伸雙螺旋斷口的SEM形貌如圖4所示，可見雙螺旋斷口的層狀撕裂比正常斷口要更加明顯，說明出現雙螺旋斷口試樣相比正常斷口試樣在高溫拉伸過程中受到了更大的剪切力。

2 綜合分析

在正常拉伸試驗中，換熱管受到軸向拉力，裂紋沿著45°易滑移面開始萌生并擴展。當溫度較低時，裂紋持續擴展，直到試樣發生斷裂。隨著試驗溫度的升高，材料塑性增大，換熱管斷裂需要更大的應力。在拉伸過程中，薄壁管發生縮頸和變形，使得換熱管在高溫拉伸過程中受到剪切力的作用，萌生了微裂紋，并沿第一條斷口方向擴展。當材料塑性較大時，軸向的拉力不足以拉斷試樣，裂紋沿剪切方向擴展，因此，出現了雙螺旋斷口的現象。對比國內外廠家換熱管高溫拉伸試驗數據發現，當拉伸試驗機同軸度精度不高時，拉伸試驗過程中增加了額外的扭矩，導致雙螺旋斷口發生的概率增加。綜合上述分析結果可知，高溫拉伸過程中溫度的升高和扭矩所引起的剪切撕裂行為是產生雙螺旋斷口的主要原因。

圖3 不同溫度下高溫拉伸正常斷口的SEM形貌

圖4 450 ℃高溫拉伸雙螺旋斷口的SEM形貌

3 結論與建議

雙螺旋斷口的出現與高溫拉伸試驗過程的保溫溫度有關，升溫過程中溫度過沖以及試驗溫度的升高，都會造成雙螺旋斷口出現的概率增大。高溫拉伸過程中溫度的升高和扭矩所引起的層狀撕裂行為是雙螺旋斷口形成的主要原因。

國內廠家換熱管出現雙螺旋斷口概率更低，原因是國內高溫拉伸試驗機的同軸度精度更高，試驗過程中扭矩較小。換熱管高溫拉伸試樣較長(400 mm)，后期試驗需要注意試樣兩端的夾持情況，避免造成不必要的扭矩。