核电厂主管道支管与阀门接管焊缝失效原因分析

李遵柱 张笳伟

中核工程咨询有限公司 北京 10007 1

美国和法国在核电站主回路部件的建造和更换中采用了窄间隙自动焊接技术，该技术的高质量是基于其对边缘尺寸的高精度和Haggis的要求。国内核电站自动焊组的间隙要求从1- 4mm增加到不超过1mm，偏移量不超过1.5mm。这一要求对于长约7米、壁厚为90毫米的主管道的现场安装来说几乎是苛刻的。在我国核电建设的实践中，由于压力容器安装位置的偏差，导致主管道组超差，进而磨沟。此外，理论研究表明，即使在较高的制造精度水平下，B组的成功概率也不是100%。

1 测试过程和结果

因为管中的介质是放射性水，水、蒸汽和气体含有硼，介质温度为350°C，是15.5MPA的压力，样例激活，放射性的因此，分析热室进行检测[1]。

1.1 宏观观察

从宏观上看，失效焊缝为管座缩口与主管阀门接头缩口之间的对接焊缝。阀嘴外径24mm，内径12mm，端部18mm，3mm，以便当场与主管支管口连接。支管座尺寸分别为40mm和14mm，端部尺寸分别为18mm和3mm。支管安装在主管底座上，颈部的焊缝是支管最薄弱的部分。裂纹长度为23.6mm，约为圆周的39.5%，裂纹从中间向两端延伸。

1.2 裂纹形貌观察及成分分析

从管道座颈和阀门颈处取出泄漏样品时，表面剂量率约为60SV / h。为了便于对外观和结构的进一步分析，环形试样沿圆周分为4个部分，其中1个没有裂纹，2个有裂纹尖端，1个为贯通裂纹。将裂纹一侧的尖端切断，观察其表面形貌。利用扫描电镜对裂纹扩展区域进行局部扩展，确定了裂纹的性质、扩展方向和裂纹萌生位置。由于根阀前喷嘴内壁裂纹长度较长，说明裂纹从内壁延伸至外壁。典型的疲劳带为高周疲劳裂纹。为了找到裂纹源，在裂纹形貌上对靠近管壁的部分进行了放大处理。裂纹从内表面延伸到外表面。由于焊缝根部应力集中、结构复杂、化学成分复杂，裂纹萌生位置不单一[2]。利用扫描电镜对裂纹试样进行了观察，并通过元素分析对黑色和白色区域的化学成分进行了分析。黑点是表面c的沉积，白点是氧化铁的腐蚀产物。氧化铁的腐蚀产物是由管道内的水或蒸汽腐蚀物质在裂纹扩展过程中引起的。

1.3 金相结构和粒度分析

对焊接接头的缝隙区和中心管和焊缝的金相照片显示，中心管的基材是一个典型的316不锈钢焊接是细粒奥氏体+铁素体奥氏体结构结构。随机选取一段180mm的线段，放大500倍。测量网格的分界点最多为20，最少为18。公式（1）计算的G分别为8.304和8。金相照片和晶粒尺寸计算结果无异常[3]。

1.4 显微硬度测量

对焊接接头无裂纹区焊缝、喷嘴和管架的显微硬度进行测量。根阀接头和母材的平均硬度为300HV，焊缝的平均硬度为246HV。接头各部位硬度平衡，无异常硬度。

2 分析讨论

2.1 受力分析

采用abaqus软件进行构件应力分析。管子内径12mm，外径18mm。由于异径管的右端与立管相连，所以使用abaqus的Tie命令将异径管的右端与刚性异径管相连。在变径管左侧增加阀重17kg，模拟实际工况，增加应力15.5MPA，模拟管内水压。网格划分采用20结点六面体简化单元。模拟结果表明，断裂带的上边缘存在轴向拉应力，下边缘存在轴向压应力。结合管道内部压力的影响，管道内部的拉应力大于管道外部的拉应力。由于根阀前焊缝的硬度低于母材，所以焊缝是结构中最薄弱的部分[4]。

2.2 裂纹萌生与扩展

根据裂纹形貌分析，裂纹萌生是疲劳引起的。结合力的分析，阀门的振动是由于流体通过阀门时流动状态的变化所产生的脉冲，使阀门承受一定频率的拉拔应力。由于内部压力较大，根部阀前喷嘴内壁应力集中，导致焊缝根部出现疲劳裂纹。由于流体的相互作用，裂纹逐渐演化为腐蚀疲劳裂纹。裂缝截面如图8所示。可以看出，裂纹呈折线状，裂纹之间存在交叉、连接和分叉[5-6]。

3 结语

（1）阀门的振动是由管道内介质流动产生的脉冲引起的，使得管道薄弱部位的焊缝产生一定频率的张拉应力。同时，内部介质的内部压力使管道内壁的应力大于外壁的应力。

（2）根阀前喷嘴的裂纹来源为管道疲劳，在内部流体作用下，管道疲劳演变为腐蚀疲劳裂纹。只要产生疲劳裂纹源，焊缝的腐蚀疲劳裂纹就不可避免。通过改变管道结构、降低管道振动、对管道内壁进行适当的表面处理等措施来防止裂纹的产生。