核電站主蒸汽管道阻尼器延長(zhǎng)桿的斷裂原因

劉獻(xiàn)良, 苗 龍, 張明聰, 李 燕, 王 昭

(1.蘇州熱工研究院有限公司， 蘇州 215004; 2.遼寧紅沿河核電有限公司， 大連 116001)

液壓阻尼器可以保護(hù)管道系統(tǒng)和其他設(shè)備免受振動(dòng)損傷，其工作原理是在管道存在較小幅度的晃動(dòng)或振動(dòng)時(shí)，阻尼器跟著管道一起產(chǎn)生位移，且只有很小的摩擦阻力，因此對(duì)管道晃動(dòng)或振動(dòng)有一定的阻尼耗能作用；當(dāng)管道振動(dòng)速度達(dá)到一定值時(shí)阻尼器鎖死，變成“剛性桿”，阻止管道沿阻尼器軸線方向的大幅度振動(dòng)，從而對(duì)管道產(chǎn)生一定的保護(hù)作用[1-2]。阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為滿足空間尺寸要求， 有的阻尼器帶有不同長(zhǎng)度的延長(zhǎng)桿，安裝在圖1中油腔1的內(nèi)部，其長(zhǎng)度可調(diào)整范圍為±35 mm。

2018年5月，某核電站2號(hào)機(jī)組主蒸汽系統(tǒng)(VVP)在運(yùn)行期間其管道阻尼器延長(zhǎng)桿斷裂。由于失去了阻尼器對(duì)管道的限制作用，管道有可能會(huì)因振動(dòng)幅度過(guò)大導(dǎo)致破裂而泄漏，進(jìn)而導(dǎo)致一回路過(guò)冷，向堆內(nèi)引入大量正反應(yīng)性，加快反應(yīng)堆的反應(yīng)速率，反應(yīng)堆的功率上升，溫度升高，導(dǎo)致堆芯過(guò)熱，最終造成機(jī)組超功率或意外臨界。因此，保證主蒸汽管道阻尼器的質(zhì)量對(duì)于系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。為查明阻尼器延長(zhǎng)桿斷裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)與分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

斷裂的阻尼器延長(zhǎng)桿宏觀形貌如圖2所示，可見(jiàn)斷裂位置位于延長(zhǎng)桿與萬(wàn)向節(jié)連接處的根部，斷口較為平齊，無(wú)明顯的宏觀塑性變形。通過(guò)斷口表面的顏色變化及放射線特征，可以判斷裂紋啟源于斷口邊緣，有較多的啟裂臺(tái)階，且為多源啟裂；裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的貝紋線；終斷區(qū)位于斷口邊緣變形量相對(duì)較大的位置，且終斷區(qū)表面較為粗糙[3-4]。

圖1 阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of damper

圖2 斷裂延長(zhǎng)桿宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fractured extension rod: a) overall morphology; b) fracture morphology on one side; c) fracture morphology on the other side

1.2 化學(xué)成分分析

在延長(zhǎng)桿斷口附近取樣，采用OPTIMA 2100DV型全譜直讀等離子發(fā)射光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由于產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)未注明斷裂延長(zhǎng)桿材料牌號(hào)，通過(guò)查閱GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》發(fā)現(xiàn)斷裂延長(zhǎng)桿的化學(xué)成分符合該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)40Cr鋼的化學(xué)成分要求，可見(jiàn)此斷裂延長(zhǎng)桿的牌號(hào)應(yīng)為(或等同于)40Cr鋼。

表1 斷裂延長(zhǎng)桿化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of fractured extension rod (mass fraction) %

1.3 金相檢驗(yàn)

在延長(zhǎng)桿斷口附近縱截面和橫截面分別截取金相試樣。圖3為試樣經(jīng)浸蝕后的宏觀形貌?？梢?jiàn)試樣組織出現(xiàn)了明顯的分層，近中心的內(nèi)層組織發(fā)暗，外層組織則顏色發(fā)亮，且外層晶粒異常粗大。

圖3 斷裂延長(zhǎng)桿試樣浸蝕后的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of samples of fractured extension rod after etching: a) longitudinal section; b) cross section

圖4為斷口附近橫截面試樣的顯微組織形貌?？梢?jiàn)橫截面試樣心部組織為回火索氏體+沿晶析出的網(wǎng)狀先共析鐵素體+少量殘余奧氏體+魏氏組織；外層組織為沿晶析出的先共析鐵素體+少量由晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)的無(wú)碳貝氏體+晶內(nèi)針狀鐵素體，外層的顯微組織與碳鋼和低合金鋼焊縫的組織相似。

圖5為斷口附近縱截面試樣的顯微組織形貌?？梢?jiàn)斷裂件整體顯微組織均勻性較差，不同位置呈現(xiàn)出多種顯微組織形貌，包括圖5a)，d)所示的回火索氏體+沿縱向呈條帶狀分布的殘余奧氏體+沿晶

圖4 橫截面試樣顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of cross section sample: a) near central area; b) coarse-grained area near surface

圖5 縱截面試樣不同位置的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology at different positions of longitudinal section sample： a)-c) low power morphology 1-3; d)-f) high power morphology corresponding to fig.5a)-c)

圖6 螺紋處顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of screw thread： a) low power morphology of screw thread; b) low power morphology of microcrack at the joint of screw thread and polished rod; c) high power morphology of microcrack at the joint of screw thread and polished rod

界析出的先共析鐵素體、圖5b)，e)所示的回火索氏體+塊狀鐵素體、圖5c)，f)所示的回火索氏體+沿晶析出的先共析鐵素體+魏氏組織等。

圖6為縱截面試樣螺紋處顯微組織形貌?？梢?jiàn)螺紋的顯微組織形貌與碳鋼和低合金鋼焊縫的較為相似，且螺紋表面不平整，如圖6a)所示。在螺紋段與斷裂的光桿段交界處發(fā)現(xiàn)一條裂紋，裂紋較為平直，呈穿晶擴(kuò)展形貌，如圖6b)和圖6c)所示。

1.4 非金屬夾雜物分析

對(duì)縱截面試樣拋光后進(jìn)行觀察，如圖7所示，可見(jiàn)非金屬夾雜物含量較少，只有少量分散的點(diǎn)狀?yuàn)A雜物，依據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果為D0.5級(jí)。

圖7 縱截面試樣非金屬夾雜物形貌Fig.7 Morphology of non-metallic inclusions of longitudinal section sample

1.5 力學(xué)性能測(cè)試

在斷裂延長(zhǎng)桿上切取φ10 mm的棒狀拉伸試樣，采用AG-IC型100 kN的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 斷裂延長(zhǎng)桿力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Mechanical property test results of fractured extension rod

可見(jiàn)斷后伸長(zhǎng)率A和斷面收縮率Z滿足GB/T 3077-2015對(duì)40Cr調(diào)質(zhì)鋼性能的要求，而抗拉強(qiáng)度Rm和屈服強(qiáng)度Rp0.2則低于該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。40Cr鋼處于調(diào)質(zhì)態(tài)時(shí)具有較高的綜合力學(xué)性能，因此其使用狀態(tài)一般為調(diào)質(zhì)態(tài)[5-6]。

1.6 斷口分析

取圖2c)所示斷口置于掃描電鏡(SEM)下觀察，其觀察位置及形貌如圖8所示?？梢?jiàn)斷口裂紋源區(qū)(位置A)呈臺(tái)階狀，為多源啟裂，未發(fā)現(xiàn)夾雜等缺陷；裂紋擴(kuò)展區(qū)(位置B)有明顯的疲勞條帶；終斷區(qū)(位置C)呈典型的韌窩形貌。

圖8 斷口SEM形貌Fig.8 SEM morphology of fracture: a) overall morphology; b) location A; c) location B; d) location C

2 分析與討論

根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果判斷，斷裂延長(zhǎng)桿的牌號(hào)應(yīng)為(或等同于)40Cr鋼。延長(zhǎng)桿截面的顯微組織在不同區(qū)域存在明顯不同，外層螺紋附近區(qū)域顯微組織為粗大的焊縫組織形貌，近心部則出現(xiàn)回火索氏體、沿晶析出的先共析鐵素體、殘余奧氏體、魏氏組織及塊狀鐵素體等多種組織形態(tài)。據(jù)電廠反饋，該阻尼器自首次安裝后，經(jīng)歷過(guò)多次螺紋修復(fù)，且修復(fù)后一直在服役。由此可見(jiàn)，斷裂延長(zhǎng)桿表層螺紋為焊接修復(fù)后的組織形態(tài)，而心部基體組織為焊接熱影響區(qū)的不均勻組織。延長(zhǎng)桿經(jīng)多次斷裂修復(fù)，在使用過(guò)程中存在較高的應(yīng)力水平。

該延長(zhǎng)桿斷口較為平齊，無(wú)明顯的宏觀塑性變形。斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)宏觀呈明顯的貝紋線，微觀呈明顯的疲勞條帶，上述特征均為疲勞斷口的典型特征[7-9]，可見(jiàn)延長(zhǎng)桿的斷裂模式為疲勞斷裂。通過(guò)斷口宏觀觀察及掃描電鏡分析可知斷口呈多源啟裂，且金相檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，螺紋與光桿連接處存在一條穿晶微裂紋，表明該延長(zhǎng)桿發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力相對(duì)較高[10]。

該延長(zhǎng)桿縱截面非金屬夾雜物含量較低，評(píng)級(jí)結(jié)果為D0.5級(jí)，對(duì)疲勞斷裂的影響較小。通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)可知試樣斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率可滿足GB/T 3077-2015對(duì)40Cr調(diào)質(zhì)鋼性能的要求，而抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度則低于該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在一定的強(qiáng)度范圍內(nèi)，金屬材料抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度存在一定的正比關(guān)系，抗拉強(qiáng)度越低，材料的疲勞強(qiáng)度也越低[11-12]。

3 結(jié)論及建議

該阻尼器延長(zhǎng)桿的斷裂為高應(yīng)力作用下的疲勞斷裂。斷裂延長(zhǎng)桿表層螺紋經(jīng)多次修復(fù)后心部基體組織不均勻，且在使用過(guò)程中存在較高的應(yīng)力水平是導(dǎo)致阻尼器延長(zhǎng)桿疲勞斷裂的主要原因，強(qiáng)度偏低也在一定程度上促進(jìn)了疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展。

建議加強(qiáng)對(duì)阻尼器螺紋質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，以保證螺紋可承受運(yùn)行過(guò)程中的高應(yīng)力；對(duì)阻尼器的選型進(jìn)行校核，確保其類型滿足工況需求；對(duì)管道振動(dòng)情況進(jìn)行排查，避免管道出現(xiàn)振動(dòng)幅度過(guò)大的情況；對(duì)其余同廠家阻尼器延長(zhǎng)桿的材料進(jìn)行抽檢，性能不達(dá)標(biāo)的應(yīng)及時(shí)更換。