蒸汽发生器换热管双螺旋断口形成原因

2022-11-22范海平

理化检验(物理分册) 2022年11期

涂强,范海平

(上海核工程研究设计院有限公司,上海 200233)

蒸汽发生器换热管是核反应堆一、二回路及其介质之间最重要的隔离层[1]，换热管壁很薄，在运行过程中换热管发生质量问题时，核电厂将采用堵管的方式，避免一回路中的放射性介质流入到二回路中，否则会引起电站发电功率的降低以及增大放射性物质泄漏的风险。换热管是连续批量生产的,且价值较高，生产制造过程中为避免换热管出现大规模报废，需要对不稳定的因素进行原因分析并及时排除，因此，笔者对换热管在进行高温拉伸试验时出现双螺旋断口的原因进行分析，并制定相应的预防措施，以避免该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

分别选取国外(1#试样)和国内(2#试样)厂家制造的出现双螺旋断口的换热管及同批次正常断口换热管进行宏观观察，结果如图1所示。

图1 1#，2#试样及同批次正常断口换热管的宏观形貌

1.2 力学性能测试

分别在1#，2#试样上截取拉伸试样,再次进行350 ℃高温拉伸试验，并选取1#，2#试样同批次换热管各10根，进行350 ℃高温拉伸试验，结果如表1所示。由表1可知：1#试样在第二次拉伸试验后，试样的断口仍为双螺旋断口，2#试样在第二次拉伸试验后断口正常，由此可确定上述情况属于小概率事件。

表1 1#，2#试样和同批次换热管的350 ℃高温拉伸试验结果

根据厂家提供整个项目换热管的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率的分布情况可知，出现双螺旋断口试样的屈服强度和抗拉强度均处于正常置信区间内，且材料整个生产制造工艺高度稳定。结合上述试验结果可以确定，双螺旋断口的出现与材料本身无关。

分别在1#，2#试样上各截取6根拉伸试样，进行400，450℃高温拉伸试验，结果如表2所示。由表2可知：随着拉伸试验的温度升高，出现双螺旋断口的概率增大，且国内厂家出现双螺旋断口的概率要低于国外厂家。

国内厂家采用新型的高温拉伸热处理炉，国外厂家采取相对老旧的高温拉伸热处理炉，需要靠热处理炉底部的石棉密封进行保温，如果密封不够紧密，在升温时会出现温度过冲现象，导致试样在高温区间停留，且保温时间更长。选取1#试样同批次的8根换热管，模拟发生温度过冲的350 ℃高温拉伸试验，出现双螺旋断口的概率达到了50%。因此，可以确定双螺旋断口的出现主要是温度原因引起的。

表2 1#，2#试样的400，450 ℃高温拉伸试验结果

1.3 金相检验

对经过热处理后的1#，2#试样进行金相检验，结果如图2所示。由图2可知：1#，2#试样的晶粒度等级分别为5.5级和6级，均满足ASTM E112—2017StandardTestMethodsforDeterminingAverageGrainSize的要求；1#，2#试样均有少量的碳化物，碳化物主要沿晶界连续析出，形成耐化学和电化学腐蚀的双重保护机制，1#,2#试样的显微组织均满足ASTM E112—2017的要求。

图2 1#，2#试样的显微组织形貌

1.4 扫描电镜(SEM)分析

选取350，400，450，500 ℃高温拉伸试验的正常断口进行SEM分析，结果如图3所示。由图3可知：350 ℃高温拉伸断口基本没有发现层状撕裂，随着温度的升高，断口中韧窝数量明显增加，当温度为400 ℃时，断口开始出现层状撕裂现象，且层状撕裂随温度升高越来越明显。

450 ℃高温拉伸双螺旋断口的SEM形貌如图4所示，可见双螺旋断口的层状撕裂比正常断口要更加明显，说明出现双螺旋断口试样相比正常断口试样在高温拉伸过程中受到了更大的剪切力。

2 综合分析

在正常拉伸试验中，换热管受到轴向拉力，裂纹沿着45°易滑移面开始萌生并扩展。当温度较低时，裂纹持续扩展，直到试样发生断裂。随着试验温度的升高，材料塑性增大，换热管断裂需要更大的应力。在拉伸过程中，薄壁管发生缩颈和变形，使得换热管在高温拉伸过程中受到剪切力的作用，萌生了微裂纹，并沿第一条断口方向扩展。当材料塑性较大时，轴向的拉力不足以拉断试样，裂纹沿剪切方向扩展，因此，出现了双螺旋断口的现象。对比国内外厂家换热管高温拉伸试验数据发现，当拉伸试验机同轴度精度不高时，拉伸试验过程中增加了额外的扭矩，导致双螺旋断口发生的概率增加。综合上述分析结果可知，高温拉伸过程中温度的升高和扭矩所引起的剪切撕裂行为是产生双螺旋断口的主要原因。