給水除氧器系統(tǒng)疏水器焊縫開裂分析處理

張本賀

(陽江核電有限公司，廣東 陽江 529941)

1 焊縫開裂情況

2015-12-04 至2016-07-04, 某 核 電 廠1,2,3 號機(jī)組常規(guī)島給水除氧器系統(tǒng)(feedwater deaerating tank and oxygen stripper,ADG)的疏水器ADG004PU 下游管道焊縫多次出現(xiàn)開裂泄漏的缺陷,見表1。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)裂紋均為沿焊縫方向的縱向裂紋。

表1 焊縫斷裂信息

通過對焊縫開裂的特征進(jìn)行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)焊縫開裂的缺陷符合共模缺陷的特征。

2 系統(tǒng)及設(shè)備簡介

ADG 系統(tǒng)通過分壓定律利用抽氣對給水進(jìn)行除氧,ADG 系統(tǒng)會在蒸汽除氧之前對蒸汽進(jìn)行凝結(jié)疏水,以此控制進(jìn)入除氧器的蒸汽品質(zhì)。ADG系統(tǒng)設(shè)置了兩臺疏水器ADG002/004PU 對母管進(jìn)行疏水,ADG004PU 所在的管線位于母管的上游是主要的疏水回路。ADG004PU 是阿姆斯壯公司生產(chǎn)的倒置桶式疏水器,疏水周期約60 s,持續(xù)時間約10 s,疏水完成后下游管道內(nèi)為負(fù)壓。疏水器下游管道設(shè)計溫度185.6 ℃、壓力1.04 MPa、管道規(guī)格89×5.5 mm、材質(zhì)304L。

3 原因分析

ADG004PU 下游管道焊縫開裂是共模缺陷,下面主要從設(shè)計選型、原材料檢測、運(yùn)行工況、失效特征方面開展調(diào)查分析。

3.1 設(shè)計選型

根據(jù)廣東省電力設(shè)計研究院編寫的《給水除氧器系統(tǒng)設(shè)計手冊》對ADG004PU 下游管道選型進(jìn)行復(fù)核,管道選型滿足系統(tǒng)設(shè)計工況的要求。

現(xiàn)場實(shí)測管道尺寸數(shù)據(jù)和支吊架的安裝位置數(shù)據(jù),將實(shí)測數(shù)據(jù)輸入管道力學(xué)計算模型,計算結(jié)果一次應(yīng)力和二次應(yīng)力都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 原材料檢測

3.2.1 化學(xué)成分

對斷裂管道取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測,管道母材的檢測結(jié)果,見表2,其中P 元素含量0.039 %,不滿足國標(biāo)GB/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》中對P 元素含量≤0.035 %的要求,其他元素含量滿足要求。焊縫的檢測結(jié)果,見表3,焊縫的元素含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.2 力學(xué)性能

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第一部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第二部分：高溫試驗(yàn)方法》對母材和接頭進(jìn)行室溫和100 ℃條件下的拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表4。

按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對母材、焊縫和熱影響區(qū)分別進(jìn)行沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表5。

結(jié)果表明母材的強(qiáng)度、斷后伸長率、沖擊韌性均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,且有較大的富余量。焊接接頭的強(qiáng)度超過母材的典型值,也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。斷后伸長率遠(yuǎn)低于母材和TGS-308 L 熔敷金屬(天泰焊材手冊提供的TGS-308L 焊絲熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率分別為580 MPa,42 %)的要求,同時也顯著低于308 L 類不銹鋼焊材對熔敷金屬斷后伸長率≥35 %的要求。

表2 鋼管元素含量 wt%

表3 焊縫元素含量 wt%

3.3 運(yùn)行工況

3.3.1 交變應(yīng)力

對ADG004PU 下游管道進(jìn)行應(yīng)變測試,測試過程包括機(jī)組的初始升溫階段、第二次升溫階段、初步穩(wěn)定階段和滿功率階段,根據(jù)應(yīng)變測試的結(jié)果,可以計算出每個階段測點(diǎn)的應(yīng)力值(見表6)和對應(yīng)的應(yīng)力分布曲線(見圖1)。根據(jù)計算結(jié)果第二次升溫階段有2 個點(diǎn)、初步穩(wěn)定階段有1 個點(diǎn)、滿功率階段有3 個點(diǎn)的應(yīng)力值超過304 L 的熱膨脹應(yīng)力極限值172.5 MPa。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表6 測點(diǎn)應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

3.3.2 振動

對ADG004PU 下游管道進(jìn)行振動測試,測試結(jié)果X,Y,Z向振動速度峰值均未超過21.3 mm/s,振動品質(zhì)為優(yōu)秀。

圖1 應(yīng)力分布曲線

3.4 失效特征

3.4.1 宏觀特征

ADG004PU 下游管道的法蘭、彎頭、及直管焊縫均存在開裂,對拆下的管道進(jìn)行PT 檢測,除現(xiàn)場已發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋外,其他焊縫也在內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)裂紋(未穿透),且開裂位置均存在于焊縫邊緣的熔合線區(qū)域。

根據(jù)檢查結(jié)果：ADG004PU 下游管道焊縫開裂存在普遍性。

3.4.2 接頭微觀金相及斷口組織特征

對ADG004PU 下游管道焊縫(W008)的裂紋進(jìn)行電鏡檢查,微觀金相組織特征結(jié)果顯示,裂紋啟裂于焊縫熔合線區(qū)由內(nèi)向外擴(kuò)展呈穿晶分布的特征；裂紋周圍未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕產(chǎn)物無晶間腐蝕的特征；同時裂紋內(nèi)壁不存在明顯的氧化層,且管道未進(jìn)行過熱處理,服役溫度不超過180 ℃,證明裂紋不具備熱裂紋的特征。

對ADG004PU 下游管道焊縫(W008)的斷口進(jìn)行電鏡檢查。斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)占比面積相對瞬時斷裂區(qū)小,表明應(yīng)力較高,斷口整體起伏較小,靠內(nèi)壁更為平整,微觀上斷口呈現(xiàn)解理或準(zhǔn)解理特征,整體呈脆性開裂特征。啟裂區(qū)和瞬時斷裂區(qū)存在二次裂紋,靠內(nèi)壁區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯的單處點(diǎn)狀啟裂源特征,斷口擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋特征。當(dāng)裂紋啟裂經(jīng)疲勞擴(kuò)展至一定階段后失穩(wěn)狀態(tài)下發(fā)生脆性開裂,且裂紋擴(kuò)展區(qū)的占比面積相對瞬時斷裂區(qū)小,側(cè)面證明了接頭處材料的塑韌性較差。

3.5 結(jié)論

根據(jù)上述檢測分析結(jié)果,ADG004PU 下游管道母材的P 元素超標(biāo)會導(dǎo)致焊接接頭熔合線區(qū)域的塑韌性偏低,焊材的伸長率低導(dǎo)致焊接接頭的塑韌性偏低。倒置桶疏水器周期性疏水,下游管道內(nèi)溫度呈周期性變化,導(dǎo)致管道焊接接頭處產(chǎn)生周期性交變應(yīng)力,并且交變應(yīng)力超過了管道材料的許用應(yīng)力限值。因此,塑韌性較低的焊接接頭在超標(biāo)的交變應(yīng)力的作用下疲勞開裂。

4 處理方案

對1/2/3ADG004PU 下游的管道進(jìn)行整體更換,管材使用前進(jìn)行復(fù)驗(yàn),確保管材化學(xué)成分和力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。焊材使用前進(jìn)行復(fù)驗(yàn),確保焊材力學(xué)性能滿足要求,特別是焊材伸長率應(yīng)高于35 %。倒置桶疏水器間接性疏水容易導(dǎo)致下游管道產(chǎn)生交變應(yīng)力,將倒置桶式疏水器換成疏水頻率更高、疏水連續(xù)性更好的浮球式疏水器。

根據(jù)《除氧氣器系統(tǒng)設(shè)計手冊》上的參數(shù),選用斯派莎克公司生產(chǎn)的浮球式疏水器(型號：DN50-FT44-21-PN40)。倒置桶式和浮球式疏水器參數(shù)對比見表7。

表7 疏水器設(shè)計參數(shù)對比

根據(jù)對比分析,該型號的浮球式疏水器滿足設(shè)計要求。

5 處理效果

對3 臺機(jī)組ADG004PU 下游管道的開裂情況和改造情況進(jìn)行統(tǒng)計分析(見表8),3 臺機(jī)組中焊縫出現(xiàn)開裂泄漏的時間最短的7 個月,最長的19個月。3 臺機(jī)組改造完成后,截至2019 年9 月,3臺機(jī)組ADG004PU 下游管道焊縫未再出現(xiàn)開裂泄漏的缺陷,安全運(yùn)行18～31 個月。

表8 各機(jī)組焊縫泄漏及改造時間

綜上所述,浮球式疏水器替代倒置桶式疏水器、使用合格的管材和焊材能有效提高疏水器下游管道的使用壽命,解決疏水器下游管道焊縫疲勞開裂的問題。