核电站调节阀气动执行机构焊缝开裂原因分析

王俊杰，王亚州

(福建宁德核电有限公司，福建 宁德 355200)

1 系统介绍及异常

2013年5月，某核电站发现一回路热功率异常。经现场检查，发现蒸汽转换器系统(STR)调节阀气动头弹簧筒焊缝失效，气动头筒体和下隔膜盒连接的焊缝已基本断开。

STR系统的功能是产生低压辅助蒸汽，并通过辅助蒸汽分配系统(SVA)供给核岛和常规岛的各个场所使用，是百万、千万级核电站热力系统的重要组成部分。失效阀门为STR系统蒸汽入口的降压调节阀，同时受到STR系统蒸汽入口压力和辅助蒸汽出口压力的控制。其焊缝开裂不仅会导致主控室和现场无法实现对该阀门的操作，同时当阀门全开时还会导致下游压力快速上升，超过安全阀保护的动作定值，使安全阀动作，进而造成机组负荷波动。因此，需对机组的控制状态进行干预。该调节阀气动头弹簧筒焊缝失效问题已引起广泛的关注和重视，为此该核电站针对出现的调节阀气动头弹簧筒焊缝开裂事件，进行了深入的性能试验和原因分析，并提出了相应的改进措施和建议。

2 试验方法

为分析阀门焊缝开裂的原因，需对失效试样进行加工和分解。根据气动头损坏的特点，选取未完全断裂的部分作重点分析，将其开裂焊缝部分切割成一个整块试样，并对整块试样进行切割和试验。具体步骤如下。

(1) 采用线切割方式，从气动头上气盖和下气盖截取3块试样，如图1所示。其中，切取1号和2号试样时连接断口，切取3号试样时则连接未断裂焊缝。

(2) 对试样进行打磨、抛光与腐蚀后，再对其进行金相观察、断口能谱分析、硬度测量以及成分分析。

图1 取样位置

3 材料性能分析

3.1 材料化学成分分析

对取样母材的化学成分进行测试，结果如表1所示。根据表1可知，上、下气盖金属成分中S，P等杂质元素含量较低，表明材料纯净度较高；化学成分满足GB/T700—2006《碳素结构钢》中对Q235B钢成分的规定。由此可初步判断上、下气盖为Q235B钢材料。

由于焊缝尺寸较小，不宜采用光谱法测试其成分，故选用一体化能谱分析系统对焊缝成分进行能谱分析。由测试结果可知，焊缝成分主要为Si-Mn-Fe。

表1 母材化学成分测试结果 %

3.2 金相组织检验

采用4 %硝酸酒精溶液作为侵蚀剂，对取样试样的焊缝、粗晶区、母材进行金相组织检验，各位置典型的金相组织照片如图2所示。从图2可以看出，3个试样的焊缝与粗晶区为贝氏体组织，母材均为铁素体+珠光体组织。对取样试样进行金相组织检验未发现明显异常，未见裂纹、气孔和夹渣等缺陷。

图2 试样典型金相组织

3.3 硬度试验

采用HVS-50Z型自动转塔数显维氏硬度计，对取样试样的母材、焊缝与热影响区进行硬度测试，试验结果如表2所示。由表2可知：母材硬度为162～168 HV30，符合标准要求；焊缝硬度为206 HV 30，高于母材硬度的幅值，且满足DL/T 1118—2009《核电厂常规岛焊接技术规程》中规定的焊缝硬度不超过母材硬度值加100的要求，所以母材硬度与焊缝硬度相匹配。

表2 显微硬度测量结果 HV30

3.4 焊缝裂纹宏观及微观形貌分析

3.4.1 焊缝的宏观形貌

对已经更换下来的气动头弹簧筒的开裂焊缝形态进行宏观目视检查。通过检查焊缝金属断裂形态，判定焊缝焊接方式为手工电弧焊(SMAW)，单层单道。检查结果表明，失效焊缝焊接成型较差，焊缝高度不均匀，断裂焊缝外观形貌如图3所示。

图3 断裂焊缝外观形貌

3.4.2 焊缝的微观形貌

对失效焊缝取样进行微观形貌分析，由图4(a)可知，大部分焊缝金属虽已受到焊接热影响，但并未完全熔合，焊缝存在较大的未熔合区。在试样的焊缝中观察到1条裂纹，裂纹从母材热影响区沿穿晶向焊缝内部扩展，如图4(b)，(c)所示。沿焊缝裂纹将3号试样断口打开，对断口组织进行扫描电镜观察，其断口形貌如图4(d)所示，未完全裂开的焊缝断口形貌中有大量的韧窝存在，该部分焊缝为韧性开裂，由此可以判断焊缝具有较好的韧性。

图4 3号试样裂纹和断口形貌

4 焊接结构分析

对气动头弹簧筒失效焊缝形态进行目视检查与测量。断裂焊缝结构如图5所示，焊缝尺寸为：支撑管连接高度h为10～11 mm，弹簧筒壁厚t1为4～5 mm，气动头壁厚t2为4～5 mm，角焊缝焊脚高度hf为3～4 mm。

图5 断裂焊缝结构

采用体视显微镜分别对3个试样进行观察，并对其焊脚尺寸进行测量，得出最小焊脚尺寸约为767 μm，焊脚尺寸不均匀，焊缝存在严重的未熔合缺陷。

根据DL/T1118—2009《核电厂常规岛焊接技术规程》和GB50017—2003《钢结构设计规范》等标准要求，角焊缝焊脚高度hf应不小于较薄侧工件厚度t，或不小于薄侧工件厚度t+(2～3)，即hf≥t或hf≥t+(2～3)。因此，气动头角焊缝焊脚高度应不小于4 mm，并且根据制造厂文件要求焊脚高度应不小于5 mm。而实际焊脚高度最小仅为0.7 mm，不满足标准要求。根据焊缝断口形貌分析，该焊缝韧性较好，但由于尺寸小、焊缝承受的应力较大，造成角焊缝强度不足而导致开裂。

5 原因分析与讨论

根据上述试验结果，可能造成阀门焊缝失效的原因如表3所示。由表3可知，此次事件的主要原因是，由于角焊缝焊接质量不佳、角焊缝焊接成型较差、焊脚高度不均匀，出现了焊缝未熔合及未焊透等焊接质量缺陷，导致焊脚高度不能满足相关标准及设计值要求；在阀门运行期间，气动头焊缝局部所受的应力超出了焊缝材料的强度极限，逐渐发生断裂，进而导致阀门气动头控制失效。

6 结果及建议

(1) 上下气盖及焊缝的化学成分及组织未见异常，焊缝的性能与母材相匹配，表明了其母材、焊材选用及焊接工艺均合适，满足了相关标准及设计的要求。

(2) 在制造过程中，焊缝存在未熔合和未焊透等焊接质量缺陷，造成焊脚实际高度不足及焊缝焊脚高度不均匀，导致在阀门正常运行工况下，气动头焊缝局部所受的应力超出焊缝材料的强度极限，从而发生断裂。

(3) 建议将该焊缝设计改为实施2层3道焊，或同时在背面增加1层焊道，以避免焊接过程出现焊缝未熔合等严重焊接缺陷。

表3 阀门焊缝失效原因分析与讨论

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