核電廠閥前三通泄漏失效原因分析

胡 斌 高 斌 熊建新 徐 科

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

國內某一核電廠在日常運行期間一閥前三通焊縫區域發生穿孔泄漏，隨即維修人員對泄漏三通所在管段進行了泄壓、疏水和補焊，補焊完成后該管線繼續投入運行，未發現其它泄漏跡象。運行一個月后該三通焊縫的另一位置再次出現穿孔泄漏，為該三通的第二次穿孔失效，影響機組的安全穩定運行。該三通內部運行介質為汽液兩相，溫度為100oC，設計材質為321不銹鋼。

1 理化試驗

1.1 宏觀形貌

不銹鋼三通先后兩次出現穿孔，內外部宏觀形貌如圖1所示。該三通為非工廠預制型整體三通結構，而是現場手工焊接三通，三通主管與支管為安放式T型連接，焊縫呈馬鞍型。根據該焊接結構可知，現場采用鋼筋將馬鞍型座-三通主管連接在一起，再采用現場焊接方式將鋼筋與馬鞍座及三通主管焊接成型。

圖1 三通內外側宏觀形貌

圖2 泄漏區域存在鐵素體組織

圖中不管是三通正面還是背面可以看出三通馬鞍型焊縫表面坑洼不平、焊接成型不良，1#位置存在一塊焊接凸起位置，是第一次泄漏補焊后所形成。2#位置為第二次泄漏區域，在左側馬鞍型焊縫上，2#泄漏點呈喇叭口形貌，泄漏點的周邊局部泛白，可能是堵漏用的膠水痕跡。將三通沿主管-支管的中心面切開可以看出管道內表面呈褐色，1#泄漏點位置存在1處穿孔，而2#泄漏區域內壁并無明顯的穿孔痕跡。

1.2 成分分析

對三通主管、支管、鋼筋進行化學成分分析，檢驗結果如表1所示，三通主管和支管的材料為321不銹鋼，鋼筋材料為304不銹鋼。

表1 化學成分分析結果（wt.%）

1.3 金相組織檢驗

對第一次泄漏位置截面進行金相組織檢驗，焊縫為焊態奧氏體組織，組織正常，鋼筋為奧氏體組織，并局部可見夾雜物，組織正常，主管母材組織為奧氏體組織（軋制狀），組織正常。在三通主管的穿孔區域下方發現一塊組織異常區域，從其金相組織圖中可以看出其組織以鐵素體為主，中間夾雜少量的珠光體組織，同時組織中夾雜著少量的空洞。鐵素體和珠光體的組織明顯不屬于321不銹鋼的主管道和304不銹鋼的鋼筋，而是碳鋼材料的典型金相組織，將該金相試樣放置于空氣中一段時間后，出現了明顯銹蝕，銹斑尺寸約長12×寬2mm。

1.4 微觀形貌

對鐵素體區域進行能譜測試，圖譜48#～50#能譜結果顯示該區域主要元素含量為Fe、C、O，可以推斷該區域的材料為碳鋼材料，C元素則是后期由于材料腐蝕所引入的，這一結果與在金相組織檢測結果中該區域也顯示為鐵素體+少量珠光體組織這一結果相吻合。根據以上分析結果可知，在三通主管穿孔位置上方放置了一塊長16mm、寬2mm的碳鋼塊。

對鋼筋與管道接觸部位截面進行微觀觀察，結果如圖3所示。從截面圖中可以看出鋼筋與管道之間存在間隙，導致鋼筋沿著主管道一圈形成了導通結構，此外在鋼筋與管道焊接部位存在未融合和焊接夾渣現象，觀察到存在一處φ0.7mm、高約2mm的焊接夾渣。

圖3 鋼筋與管道接觸部位截面形貌

2 分析與討論

宏觀檢查發現該三通焊縫為非典型馬鞍型焊縫，在馬鞍型結構及三通主管上圍繞了一根鋼筋，采取焊接方式將三通及鋼筋焊接成型[1-3]。整個焊縫外表面凹凸不勻、成型不良。沿三通中心面剖開后，三通管道內部呈褐色，未見明顯腐蝕跡象。化學成分檢測結果顯示三通主管、支管為321不銹鋼鋼筋為304不銹鋼材料。金相組織結合能譜結果分析得出三通主管和支管、鋼筋、焊縫均為不銹鋼的奧氏體組織，組織正常，焊縫為奧氏體焊縫組織，未見異常粗大組織。三通主管穿孔處有一主要元素含量為Fe、O的碳鋼材料，其組織為鐵素體和少量珠光體。此外，該三通的主管和支管均為奧氏體不銹鋼材料，焊縫的主要成分亦為不銹鋼成分，正常情況下奧氏體三通管道焊縫不會引入碳鋼，因此，該碳鋼材料的存在是不正常的。在鋼筋與管道的截面焊接區域發現兩者之間存在間隙，導致鋼筋沿著主管道一圈形成了導通結構。此外，在馬鞍型焊縫泄漏位置觀察到了未熔合缺陷，鋼筋和三通支管間存在一處φ0.7mm、高約2mm的焊接夾渣[4-6]。

三通底部第一次泄漏的原因是在三通現場手工焊接制造時，主管管壁被焊穿，并在孔的上方覆蓋一塊碳鋼墊板進行“封口”。該碳鋼材料與高溫高壓一/二回路汽水介質接觸并發生腐蝕，經過長時間運行后，該碳鋼板被腐蝕穿透，導致了三通泄漏。對主管泄漏部位進行了堆焊，三通主管泄漏焊縫補焊后，該管系繼續投入運行，該部位當時未再發生泄漏。需要指出的是，在主管泄漏部位補焊時，只能在對應泄漏點的主管外壁堆焊，從而完成堵漏。實際上，補焊后并沒有將主管上的穿孔堵上，從而使得管道內高溫流體介質從主管穿孔處進入鋼筋-主管-支管間的間隙，并充滿整個縫隙空間。由于馬鞍型焊縫未熔合部位存在較為致密的夾渣，在運行后并未馬上出現泄漏，而是在運行約1個月后，高溫流體介質從馬鞍型焊縫未熔合/夾渣處泄漏，導致了第二次泄漏的發生。

3 結語

綜上所述，在建造和安裝期間三通主管被焊穿并形成穿孔，在穿孔上方覆蓋一碳鋼材料，該碳鋼在長期運行下被腐蝕穿透，發生第一次泄漏。三通主管泄漏點被堆焊堵漏后，系統再次投入運行，管道內高溫流體介質從主管穿孔處進入鋼筋-主管-支管間的間隙，并充滿整個縫隙空間，由于馬鞍型焊縫局部存在未熔合/夾渣，致使在馬鞍型焊縫未熔合/夾渣部位再次發生泄漏。導致泄漏的根本原因為焊縫質量不良，工藝和工程控制不當。