核电厂消防水逆止阀阀体断裂原因分析

2022-06-17李邱达边春华刘洪群

全面腐蚀控制 2022年5期

李邱达边春华文杰刘洪群

（1. 中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300；2. 苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004）

0 引言

核电厂消防水系统用于保障人身和设备安全，是核电厂的一个重要系统。消防水系统由火灾探测和报警设备、消防水供给设备、自动和手动灭火设备等组成。消防水供应设备包括水箱、泵、管道和阀门，以及其他的供水到消防栓、立管和灭火装置的部件。国内某核电厂在运行4年以后，工作人员检查发现消防水系统一个逆止阀发生断裂，严重影响核电厂运行安全。本文就逆止阀阀体断裂的原因进行了分析，并提出了改进建议。

1 分析方法

消防水系统的内部介质为生活水，腐蚀性较强，往往会对管道和管道内的过流部件产生腐蚀[1,2]。阀体材料为铸铁；由于工艺因素，铸铁中往往含有裂纹、缩孔、缩松、气孔及夹渣等缺陷，在使用过程中缺陷往往会引起部件断裂[3,4]。该阀门工作状态时呈常开状态，上下游管线呈水平布置，在安装时中心线存在不对中现象。

首先对阀门阀体断口进行宏观观察和微观形貌管道，根据表面形貌，结合现场工艺工况及环境，初步判定管壁减薄模式；然后对阀门材料进行成分分析、显微组织、断口微观形貌以及拉伸性能分析，并且使用ANSYS软件对受力情况进行模拟；最后根据实验结果、模拟结果和运行工况综合判断断裂原因。

2 分析结果与讨论

2.1 宏观分析

该阀门左右对称，有两处发生开裂。其中一处已发生断裂，断裂位置位于阀体一侧法兰根部。第2处位于另一侧法兰根部，与断裂位置对称，裂纹走向与断口平行，约二分之一圆周长，如图1所示。阀门内部及断口表面被腐蚀产物覆盖，锈蚀严重，如图2所示。此外，断口较平齐，几乎没有宏观塑性变形，呈典型脆性断裂特征。

图1 断口及微裂纹位置

图2 断口宏观形貌

2.2 材料成分

阀体成分分析结果如表1所示，阀体材质为灰铸铁。

表1 成分分析结果

2.3 金相检验

图3为金相样抛光态照片。送检阀体石墨类型为片状（A型），石墨长度为3级，组织较为正常。侵蚀后照片如图4所示，珠光体级别为3级。

图3 抛光态照片

图4 4%硝酸酒精腐蚀后照片

在断口附近发现两条裂纹，分别记为C1#、C2#，宏观形貌如图5所示。裂纹宏观和微观形貌如图6和7所示。从图中可以看出，裂纹均起源于阀体外表面90°变径处，沿45°向内扩展，走向较平直。

图5 裂纹分析样品宏观照片

图6 C1#样品裂纹形貌

图7 C2#样品裂纹形貌

2.4 拉伸性能

表2为拉伸试验结果（因铸铁材料塑性差，无明显屈服点）。

表2 为拉伸试验结果

2.5 断口微观形貌分析

因断口表面锈蚀严重，将取下的断口经柠檬酸清洗后置于电镜观察，如图8所示。断口上未发现缩孔、疏松等典型铸造缺陷。断口由大小不一的解理面组成，解理面为典型的河流花样，断裂机制是典型的解理断裂。

图8 断口微观形貌

2.6 力学分析

由于现场在安装过程中，阀门上下游管线不对中，存在偏心，这势必对水平放置的阀门产生附加应力。利用ANSYS软件对此进行模拟。

经上述理化检验，阀门材料为铸铁，抗拉强度110MPa，查阅材料手册，弹性模量为120GPa。断裂部位流体内部压力为0.9MPa。

考虑到阀门结构的对称性，建立阀门的1/2结构三维力学分析模型。1/2阀门结构的有限元模型如图9所示。因未提供现场上下游管线的偏移值，分析时假设存在0.6mm偏心（仅作趋势分析）。

图9 阀门结构有限元分析模型

在阀门内部施加内压载荷、阀门一端施加固定位移的边界条件（图9右侧边界），另一端施加强制位移载荷（图9左侧边界），初步施加的强制位移为0.6 mm。

阀门上Mises应力分布情况如图10所示，为更详细的显示阀门端部的应力集中情况，施加强制位移一侧Mises应力局部分布情况如图11所示，固定位移一侧Mises应力局部分布情况如图12所示，由图11和图12可知，在上下游管线存在不对中的情况下，阀门端部连接法兰板根部（即断裂及存在环向裂纹处）存在明显应力集中，应力最大值达到120MPa，超过材料的抗拉强度。

图10 阀门Mises应力分布情况

图11 阀门强制位移一侧Mises应力分布情况

图12 阀门固定一侧Mises应力分布情况

通过上述分析，可以得出该阀门的材质为灰铸铁，未发现铸造及组织缺陷。开裂部位有两处，分别位于阀门左右两侧法兰盘结构突变处。其中一处已发生断裂，另一处已形成肉眼可见裂纹。断口较平直，锈蚀严重，无明显塑性变形，断裂机制为解理断裂。裂纹走向由外向内。裂纹形成处是上下游管线不对中造成的阀体应力集中点。因此，上下游管线的不对中导致了阀门两侧法兰盘几何结构突变处应力集中，应力的大小可能已超过阀门的抗拉强度，导致阀门开裂。