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        某核電站閥桿斷裂失效分析

        2022-09-01 13:17:30梁威
        金屬加工(熱加工) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:韌窩閥桿斷口

        梁威

        遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116000

        1 序言

        核電廠循環(huán)水過濾系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱CFI系統(tǒng))是常規(guī)島冷卻水系統(tǒng)的重要組成部分,其主要功能是通過對(duì)機(jī)組所需使用的全部海水進(jìn)行過濾,以保護(hù)使用海水的系統(tǒng)設(shè)備免受堵塞和生物腐蝕的危害[1]。閥門作為核電各系統(tǒng)中的重要部件,其對(duì)電站安全可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)生事故電廠的案例統(tǒng)計(jì),閥門故障導(dǎo)致的事故比重很大;同時(shí),核電站閥門的維修費(fèi)用已占維修總額的50%以上[2-4]。

        某核電廠CFI系統(tǒng)一閥門閥桿發(fā)生斷裂,閥門型號(hào)為DN200手動(dòng)襯膠蝶閥,斷裂閥桿材質(zhì)為2507雙相不銹鋼。斷裂閥桿宏觀形貌如圖1所示。本文通過宏觀形貌觀察、化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè),以及顯微組織和掃描電鏡斷口檢驗(yàn),對(duì)閥桿斷裂產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

        圖1 斷裂閥桿宏觀形貌

        2 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

        2.1 宏觀分析

        對(duì)閥桿斷口及附近表面進(jìn)行宏觀檢測(cè),如圖2~圖4所示。斷裂位置位于方榫段上,距離方榫段與圓柱段過渡處較近,斷口基本垂直于閥桿軸向,沿閥桿橫截面斷裂;斷口表面呈新鮮的金屬光澤,無明顯腐蝕特征;斷口表面周向扭轉(zhuǎn)磨損痕跡明顯,從表面向心部,大部分區(qū)域均有磨損,磨損處顏色較亮,中心無明顯磨損的區(qū)域呈銀灰色(見圖2)。斷口附近閥桿各平整表面相交的4個(gè)棱角處也有明顯的扭轉(zhuǎn)變形特征(見圖3)。通過上述檢查結(jié)果可以看出,斷裂閥桿宏觀上具備扭轉(zhuǎn)過載斷裂特征。此外,斷口附近閥桿的4個(gè)平整表面雖然均較為粗糙,呈麻坑狀,但均為銀亮的金屬光澤,無明顯腐蝕,結(jié)合斷口邊緣也未見明顯腐蝕可以判斷,麻坑狀的粗糙表面應(yīng)為原始制造表面,與腐蝕無關(guān)(見圖4)。

        圖2 斷口宏觀形貌

        圖3 斷口附近閥桿各棱角扭轉(zhuǎn)變形形貌

        圖4 斷口附近閥桿各面粗糙麻坑狀形貌

        2.2 化學(xué)成分分析

        對(duì)斷裂閥桿取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。參考GB/T 31303—2014《奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼棒》規(guī)定的022Cr25Ni7Mo4N(2507)不銹鋼化學(xué)成分,閥桿材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求,可排除材質(zhì)錯(cuò)用等問題。

        表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        2.3 硬度測(cè)試

        對(duì)斷裂閥桿取樣進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果見表2,斷裂閥桿硬度值符合GB/T 31303—2014要求。

        表2 硬度測(cè)試結(jié)果 (HBW)

        2.4 金相檢驗(yàn)

        圖5所示為斷口附近橫截面取樣及縱截面取樣金相組織。閥桿金相組織為鐵素體基體上分布著小島狀的奧氏體,組織沿縱向呈帶狀分布,鐵素體和奧氏體兩相比例接近1∶1。

        圖5 斷口附近取樣顯微組織形貌

        2.5 斷口微觀分析

        圖6所示為閥桿斷口在掃描電鏡下的微觀形貌。除中心區(qū)域附近外,其余位置均呈現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)未磨損的區(qū)域還能看到明顯的韌窩,韌窩呈一定的拉長變形特征;中心區(qū)域?yàn)榫鶆虻募?xì)小韌窩,無明顯磨損,表明該區(qū)域?yàn)樽罱K斷裂區(qū)域。

        圖6 斷口微觀形貌

        3 分析討論

        斷裂閥桿的各項(xiàng)理化檢驗(yàn)結(jié)果表明,閥桿化學(xué)成分及硬度值滿足GB/T 31303—2014要求;金相組織為鐵素體基體上分布著小島狀?yuàn)W氏體,兩相比例接近1∶1,符合2507雙相不銹鋼的組織要求,材質(zhì)未見明顯異常。

        閥桿斷口宏觀上呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)斷裂特征[5],除斷口中心區(qū)域無明顯的磨損外,斷口表面大部分區(qū)域均磨損嚴(yán)重,未磨損的局部區(qū)域能看到拉長韌窩形貌,為閥桿因到扭轉(zhuǎn)作用力而形成的撕裂韌窩。斷口中心為最終斷裂區(qū)域,微觀上為等軸韌窩形貌。此外,斷口附近閥桿各平整表面相交的4個(gè)棱角處也有明顯的扭轉(zhuǎn)變形特征。由此可見,本次閥桿斷裂性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)過載斷裂。

        根據(jù)閥門結(jié)構(gòu),閥門安裝后,閥軸的方榫段與蝶板配合,使閥軸的扭轉(zhuǎn)力通過方榫段傳遞給蝶板,帶動(dòng)閥門的閉合。當(dāng)閥門閉合動(dòng)作受到干涉(如異物等)時(shí),蝶板及方榫段旋轉(zhuǎn)受阻,若對(duì)閥軸施加較大的扭轉(zhuǎn)力,將可能導(dǎo)致未與蝶板配合的閥軸部分出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)過載。根據(jù)本次斷裂閥軸的特征,未與蝶板配合的一側(cè)斷口附近4個(gè)棱角處出現(xiàn)了明顯的扭轉(zhuǎn)變形特征,與上述假設(shè)情況相符。由此進(jìn)一步證明,本次閥軸斷裂的直接原因?yàn)殚y軸方榫段承受扭矩過大,造成了閥軸方榫段扭轉(zhuǎn)過載斷裂。

        2507雙相不銹鋼(25Cr-7Ni-4Mo-0.27N)經(jīng)適當(dāng)固溶處理后,顯微組織為α相、γ相、之比約為1∶1的雙相結(jié)構(gòu),不但具有良好的抗點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、均勻腐蝕和應(yīng)力腐蝕的能力,而且具有較好的強(qiáng) 韌性[6,7]。此外,宏觀檢查排除了本次斷裂與腐蝕的關(guān)系,斷口表面微觀上未磨損的區(qū)域均能看到撕裂韌窩形貌,也反映出該斷裂閥桿具有較好的韌性。韌性材料靜載斷裂對(duì)缺口的敏感性較小,因此閥桿表面粗糙對(duì)本次扭轉(zhuǎn)過載斷裂的影響較小。

        4 結(jié)束語

        綜合以上檢驗(yàn)結(jié)果及分析,閥桿材料化學(xué)成分、顯微組織和硬度均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,材質(zhì)未見異常,造成此次海水蝶閥閥桿斷裂的主要原因?yàn)榕まD(zhuǎn)過載斷裂,與現(xiàn)場(chǎng)維修工程師反饋的由于管道襯膠干涉蝶板動(dòng)作,導(dǎo)致閥軸處受力過大產(chǎn)生斷裂的判斷相符。由此可見 ,本次閥桿斷裂與閥桿本身材質(zhì)及所處環(huán)境無關(guān),應(yīng)為閥桿強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求所致,建議對(duì)該類型閥桿重新進(jìn)行強(qiáng)度校核或閥門選型。

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