某電廠高溫用止回閥閥瓣開裂原因

戴 猛,趙興保,王儀美,徐 柱,謝 轍

(1.福建福清核電有限公司,福州 350318;2.中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司,武漢 430223)

某電廠運行期間,發(fā)現(xiàn)高溫、高壓水環(huán)境下服役的止回閥發(fā)生泄漏事故,檢查發(fā)現(xiàn)閥門閥瓣邊緣的堆焊層存在裂紋缺陷,裂紋沿徑向貫穿整個堆焊層。安裝閥門的管道公稱外徑為400 mm,閥門的服役周期約為4 a,工作溫度為316 ℃,工作壓力為8.6 MPa,工作介質(zhì)為除鹽水。閥瓣基體材料為A42AP鋼,表面堆焊層材料為 ERCoCr-A合金,堆焊時采用鎢極氬弧焊(GTAW),堆焊層沿閥瓣迎水面邊緣周向分布,其寬度約為30 mm,厚度約為2 mm。筆者對開裂閥瓣堆焊層進行一系列理化檢驗,查明了堆焊層開裂的原因,以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

開裂閥瓣堆焊層的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:環(huán)狀堆焊層上僅觀察到一條裂紋,該裂紋由內(nèi)環(huán)向外環(huán)連續(xù)擴展約30 mm,貫穿堆焊層的徑向;裂紋表面部分區(qū)域可見殘留紅棕色附著物,該附著物為閥瓣高溫服役環(huán)境下形成的氧化物,堆焊層無其他異常。

將帶裂紋的堆焊層區(qū)域切割后打開斷口,斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知:斷口整體平齊,無金屬光澤,斷口上靠近閥瓣基體區(qū)域發(fā)藍,氧化程度更嚴重,裂紋在堆焊區(qū)與閥瓣基體結(jié)合處優(yōu)先開裂。

圖2 斷口的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 火花源原子發(fā)射光譜分析方法(常規(guī)法)》,利用電火花直讀光譜儀對閥瓣基體和堆焊層進行化學成分分析,其中依據(jù)YS/T 281.14—2011《鈷化學分析方法 第14部分:碳量的測定》分析C元素,依據(jù)ASTM E1473—2016《鎳,鈷和高溫合金的化學分析的標準試驗方法》分析Cr元素,利用分光光度法分析Si元素,依據(jù)ASTM E2594—2020《感應耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(基于性能的方法)分析鎳合金的標準試驗方法》分析其他元素,基體和堆焊層的化學成分分析結(jié)果分別如表1,2所示,閥瓣基體的化學成分滿足標準要求,堆焊層中Fe元素含量遠高于標準要求。

表1 閥瓣基體的化學成分分析結(jié)果 %

表2 堆焊層的化學成分分析結(jié)果 %

1.3 金相檢驗

依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》,將開裂堆焊層沿軸向切割,然后對其進行清潔、鑲嵌、打磨、拋光等處理,基體采用4%(體積分數(shù))硝酸乙醇溶液腐蝕,堆焊層采用鹽酸氯化鐵溶液腐蝕。

堆焊層拋光態(tài)形貌如圖3所示。由圖3可知:裂紋貫穿堆焊層的軸向,基體未發(fā)生開裂,無二次裂紋,堆焊層沿周向截面上臨近裂紋處有一定數(shù)量、大小不一的氣孔。

圖3 堆焊層拋光態(tài)形貌

堆焊層徑向截面的微觀形貌如圖4所示,可見堆焊層上分布著連續(xù)的疏松缺陷。

圖4 堆焊層徑向截面的微觀形貌

閥瓣基體和堆焊層的顯微組織形貌如圖5所示。由圖5可知:基體組織為鐵素體+珠光體;堆焊層組織以柱狀晶為主,柱狀晶生長方向統(tǒng)一,其主要由奧氏體基體+共晶碳化物組成,基體及堆焊層的顯微組織均無異常[1-2]。

圖5 閥瓣基體和堆焊層的顯微組織形貌

1.4 硬度測試

依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》,對閥瓣堆焊層進行硬度測試,結(jié)果如表3所示。由表3可知:堆焊層硬度滿足標準要求。

表3 堆焊層硬度測試結(jié)果 HV

1.5 殘余應力測試

依據(jù)GB/T 31310—2014《金屬材料殘余應力測定鉆孔應變法》對堆焊層進行殘余應力測試,測試位置沿堆焊層周向分布(見圖6),測試結(jié)果如表4所示,次應力δ2與主應力δ1垂直。由表4可知:堆焊層的周向及徑向殘余應力均為拉應力,其中位置3的主應力和次應力最大,位置2的殘余應力較大,且這兩個位置的主應力與徑向應變夾角較小,表明該處產(chǎn)生的裂紋易沿徑向與軸向擴展,殘余應力分布與閥瓣堆焊層上裂紋發(fā)生貫穿性擴展有關(guān)。

表4 堆焊層的殘余應力測試結(jié)果

圖6 殘余應力測試位置

1.6 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

利用掃描電子顯微鏡觀察閥瓣堆焊層的斷口,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:堆焊層起裂處存在疑似疏松分層缺陷及疑似腐蝕區(qū)域,其中腐蝕區(qū)域的面積較小,且位于基體與堆焊層相鄰區(qū)域,斷口其他區(qū)域未見腐蝕特征,判斷閥瓣的開裂與腐蝕無關(guān);斷口平整無韌窩,裂紋沿柱狀晶的共晶碳化物界面擴展,呈解理斷裂特征;基體與堆焊層過渡處存在大面積的疏松,裂紋擴展區(qū)可觀察到焊接過程中產(chǎn)生的氣孔。

圖7 閥瓣堆焊層斷口SEM形貌

利用能譜分析儀分析起裂區(qū)的腐蝕產(chǎn)物,該處主要含有碳、氧和鐵等元素,且存在少量氯元素。閥瓣運行期間的介質(zhì)為高溫除鹽水,通常不存在氯離子,但閥門安裝調(diào)試期間水質(zhì)中存在少量氯元素,表明閥瓣可能在投入高溫運行前就已發(fā)生開裂,開裂原因與閥瓣堆焊制造期間形成的氣孔和疏松缺陷有關(guān)。

2 綜合分析

綜合上述理化檢驗結(jié)果可知:開裂閥瓣基體的化學成分滿足標準要求;基體組織為鐵素體+珠光體,堆焊層組織為奧氏體+共晶碳化物,基體和堆焊層的顯微組織均無異常;堆焊層的硬度滿足標準要求。堆焊層中Fe元素含量高于標準要求,在Co基合金中,Fe原子會完全固溶在Co元素形成的奧氏體基體中,當Fe元素過量時,會降低Cr原子的固溶度,從而使焊材在凝固過程中傾向于析出更多的共晶碳化物,增大了堆焊層的脆性。堆焊層中存在疏松、氣孔缺陷,這些缺陷主要分布在堆焊層與基體的界面處,缺陷的產(chǎn)生原因為焊接過程處理不當,且缺陷會成為起裂源[3-4]。堆焊層處存在殘余拉應力[5],拉應力的產(chǎn)生原因為堆焊過程中堆焊層的冷卻速率不一致[2],堆焊層的拉應力分布不均勻,靠近裂紋位置的拉應力較大。堆焊層起裂處有疏松缺陷,裂紋沿共晶碳化物界面及氣孔處擴展。

閥瓣堆焊層的化學成分不合格,導致其共晶碳化物較多,脆性較大,且堆焊層中存在疏松、氣孔缺陷。閥瓣在高溫、高壓水環(huán)境下服役約4 a,高溫環(huán)境形成的熱應力可能使初始裂紋源發(fā)生擴展,優(yōu)先擴展形成的斷口在高溫水中發(fā)生氧化,因此斷口上可觀察到深色氧化區(qū)。閥瓣服役時受到介質(zhì)沖擊,外部施加的應力會在缺陷處形成應力集中,并與閥瓣堆焊層殘余拉應力疊加,在堆焊層缺陷處便會萌生裂紋并快速擴展,最終形成貫穿裂紋。

3 結(jié)論及建議

閥瓣堆焊層的化學成分不合格,且存在疏松及氣孔缺陷,在工作應力和殘余應力的共同作用下,缺陷部位萌生裂紋并擴展,最終導致閥瓣發(fā)生開裂。

建議檢查同批次安裝閥門閥瓣的服役情況,確認閥瓣是否存在缺陷。加強焊接過程控制,避免形成焊接缺陷,焊接前將閥瓣表面的水分、油漬、異物等清理干凈。焊接時使用合格的焊絲并控制好層間溫度,焊后及時進行熱處理。堆焊層經(jīng)精加工后,對焊縫及其相鄰部位及時進行體積及表面檢查。