核电厂阀前三通泄漏失效原因分析

胡 斌 高 斌 熊建新 徐 科

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

0 引言

国内某一核电厂在日常运行期间一阀前三通焊缝区域发生穿孔泄漏，随即维修人员对泄漏三通所在管段进行了泄压、疏水和补焊，补焊完成后该管线继续投入运行，未发现其它泄漏迹象。运行一个月后该三通焊缝的另一位置再次出现穿孔泄漏，为该三通的第二次穿孔失效，影响机组的安全稳定运行。该三通内部运行介质为汽液两相，温度为100oC，设计材质为321不锈钢。

1 理化试验

1.1 宏观形貌

不锈钢三通先后两次出现穿孔，内外部宏观形貌如图1所示。该三通为非工厂预制型整体三通结构，而是现场手工焊接三通，三通主管与支管为安放式T型连接，焊缝呈马鞍型。根据该焊接结构可知，现场采用钢筋将马鞍型座-三通主管连接在一起，再采用现场焊接方式将钢筋与马鞍座及三通主管焊接成型。

图1 三通内外侧宏观形貌

图2 泄漏区域存在铁素体组织

图中不管是三通正面还是背面可以看出三通马鞍型焊缝表面坑洼不平、焊接成型不良，1#位置存在一块焊接凸起位置，是第一次泄漏补焊后所形成。2#位置为第二次泄漏区域，在左侧马鞍型焊缝上，2#泄漏点呈喇叭口形貌，泄漏点的周边局部泛白，可能是堵漏用的胶水痕迹。将三通沿主管-支管的中心面切开可以看出管道内表面呈褐色，1#泄漏点位置存在1处穿孔，而2#泄漏区域内壁并无明显的穿孔痕迹。

1.2 成分分析

对三通主管、支管、钢筋进行化学成分分析，检验结果如表1所示，三通主管和支管的材料为321不锈钢，钢筋材料为304不锈钢。

表1 化学成分分析结果（wt.%）

1.3 金相组织检验

对第一次泄漏位置截面进行金相组织检验，焊缝为焊态奥氏体组织，组织正常，钢筋为奥氏体组织，并局部可见夹杂物，组织正常，主管母材组织为奥氏体组织（轧制状），组织正常。在三通主管的穿孔区域下方发现一块组织异常区域，从其金相组织图中可以看出其组织以铁素体为主，中间夹杂少量的珠光体组织，同时组织中夹杂着少量的空洞。铁素体和珠光体的组织明显不属于321不锈钢的主管道和304不锈钢的钢筋，而是碳钢材料的典型金相组织，将该金相试样放置于空气中一段时间后，出现了明显锈蚀，锈斑尺寸约长12×宽2mm。

1.4 微观形貌

对铁素体区域进行能谱测试，图谱48#～50#能谱结果显示该区域主要元素含量为Fe、C、O，可以推断该区域的材料为碳钢材料，C元素则是后期由于材料腐蚀所引入的，这一结果与在金相组织检测结果中该区域也显示为铁素体+少量珠光体组织这一结果相吻合。根据以上分析结果可知，在三通主管穿孔位置上方放置了一块长16mm、宽2mm的碳钢块。

对钢筋与管道接触部位截面进行微观观察，结果如图3所示。从截面图中可以看出钢筋与管道之间存在间隙，导致钢筋沿着主管道一圈形成了导通结构，此外在钢筋与管道焊接部位存在未融合和焊接夹渣现象，观察到存在一处φ0.7mm、高约2mm的焊接夹渣。

图3 钢筋与管道接触部位截面形貌

2 分析与讨论

宏观检查发现该三通焊缝为非典型马鞍型焊缝，在马鞍型结构及三通主管上围绕了一根钢筋，采取焊接方式将三通及钢筋焊接成型[1-3]。整个焊缝外表面凹凸不匀、成型不良。沿三通中心面剖开后，三通管道内部呈褐色，未见明显腐蚀迹象。化学成分检测结果显示三通主管、支管为321不锈钢钢筋为304不锈钢材料。金相组织结合能谱结果分析得出三通主管和支管、钢筋、焊缝均为不锈钢的奥氏体组织，组织正常，焊缝为奥氏体焊缝组织，未见异常粗大组织。三通主管穿孔处有一主要元素含量为Fe、O的碳钢材料，其组织为铁素体和少量珠光体。此外，该三通的主管和支管均为奥氏体不锈钢材料，焊缝的主要成分亦为不锈钢成分，正常情况下奥氏体三通管道焊缝不会引入碳钢，因此，该碳钢材料的存在是不正常的。在钢筋与管道的截面焊接区域发现两者之间存在间隙，导致钢筋沿着主管道一圈形成了导通结构。此外，在马鞍型焊缝泄漏位置观察到了未熔合缺陷，钢筋和三通支管间存在一处φ0.7mm、高约2mm的焊接夹渣[4-6]。

三通底部第一次泄漏的原因是在三通现场手工焊接制造时，主管管壁被焊穿，并在孔的上方覆盖一块碳钢垫板进行“封口”。该碳钢材料与高温高压一/二回路汽水介质接触并发生腐蚀，经过长时间运行后，该碳钢板被腐蚀穿透，导致了三通泄漏。对主管泄漏部位进行了堆焊，三通主管泄漏焊缝补焊后，该管系继续投入运行，该部位当时未再发生泄漏。需要指出的是，在主管泄漏部位补焊时，只能在对应泄漏点的主管外壁堆焊，从而完成堵漏。实际上，补焊后并没有将主管上的穿孔堵上，从而使得管道内高温流体介质从主管穿孔处进入钢筋-主管-支管间的间隙，并充满整个缝隙空间。由于马鞍型焊缝未熔合部位存在较为致密的夹渣，在运行后并未马上出现泄漏，而是在运行约1个月后，高温流体介质从马鞍型焊缝未熔合/夹渣处泄漏，导致了第二次泄漏的发生。

3 结语

综上所述，在建造和安装期间三通主管被焊穿并形成穿孔，在穿孔上方覆盖一碳钢材料，该碳钢在长期运行下被腐蚀穿透，发生第一次泄漏。三通主管泄漏点被堆焊堵漏后，系统再次投入运行，管道内高温流体介质从主管穿孔处进入钢筋-主管-支管间的间隙，并充满整个缝隙空间，由于马鞍型焊缝局部存在未熔合/夹渣，致使在马鞍型焊缝未熔合/夹渣部位再次发生泄漏。导致泄漏的根本原因为焊缝质量不良，工艺和工程控制不当。