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1、 C O N T E N T S目录 选题背景01 核能是一种安全、清洁、高效的能源，作为能源的重要组成部分，在全世界能源结构中占有重要的地位。据统计，全世界轻水堆核电厂管道超过 12 000 堆年运行经验的主要失效机理为流动加速腐蚀(FAC)和应力腐蚀开裂(SCC)，占核电厂管道总失效的 50%以上，是核电管道失效的主要形式;振动疲劳占 187%;管道的缝隙腐蚀、点蚀和微生物腐蚀失效比例为148%。4 我国核电站投入商业运行已有 20 多年历史，随着国内核电的发展，核电厂相关设计建造、设备制造、运行经验逐渐丰富，技术逐渐成熟，但同时核电厂设备材料的失效案例也不断增加，电站部件失效问题逐渐暴露
2、。5 5案例介绍02 某核电厂1 号机组运行期间，常规岛1 号机组 6 号高压加热器浮球液位开关出现泄漏，泄漏位置处于液位开关大小头处，裂纹处有水滴渗出，见下图。本工作针对液位开关大小头失效情况，采用宏观、微观相结合的方式分析泄漏部件失效的原因。7 78 8大小头结构及工况03 10 在汽轮机内做功后的蒸汽形成凝结水，由于其温度较低，必须经过若干加热器加热后才能再次返回蒸汽发生器重新产生蒸汽。加热器换热管内的管侧为凝结水，换热管外的壳侧为热蒸汽，热蒸汽在加热凝结水后会冷凝形成疏水。为防止疏水水位过高或过低影响加热器运行，其设备液位开关用来测量疏水水位。本次发生大小头断裂的是高压加热器的换热管外
3、的壳侧疏水液位开关，其结构示意如图。11 大小头通过支管、三通与液位开关测量筒连接。大小头设计材质为 SS316L 不锈钢，规格为 36 mm4/1，如表 1 所示。液位开关筒体直径为 DN100，其下部有 1 个 28 mm 的开孔，大小头的小头插入孔内，大头通过 1的导管与三通相连，大小头两端均为承插焊接。焊接采用全氩弧焊接方式，焊丝 E316L(20mm)，电压 8 18 V，电流 80 120 A，焊接速度 6 15cm/min，氩气流量 525 L/min。高压加热器液位开关大小头最大运行温度为 211，最大运行压力为 1847MPa，液位开关内部工艺介质为高压加热器壳侧疏水。12
4、系统内的水以除盐水为基础，分别通过添加氨调整 pH 值、添加联氨控制氧含量。正常运行期间，保证pH 值控制在 811 范围内、溶解氧小于 10 g/L。对水进行化学成分分析，结果如表 2 所示，除盐水的各项水化学指标均在运行限值之内，铁、钠等腐蚀阳离子指标和氯、硫酸根等腐蚀阴离子均远小于运行限值，说明整个系统内未出现异常腐蚀现象。DO(溶解氧)和 pH 值等腐蚀环境指标也处于正常限值内，说明设备的运行环境无异常，可以排除因运行化学工况不满足要求导致断裂的可能性。134失效分析及结果0414 试样采用 3 个失效大小头样品。其中:1 号试样为6B 高压 LS1016B 加热器液位浮球式液位开关底
5、部大小头;2 号试样为 6B 高压 LS1016B 加热器液位浮球式液位开关上部大小头;3 号试样为 6B 高压 LS1018B 加热器液位浮球式液位开关底部大小头。试验样品在开始切割前，先对试样断口进行宏观检测，再对试样进行化学成分分析、金相分析、硬度测试、裂纹断口扫描电镜(SEM)分析，以探究材料失效机理。15 (1)1 号大小头整体宏观照片如图 a 左上所示，两侧截面均为切割面。其顶部断裂面约占周长的 1/5 左右，如 a 右上图所示。其底部大头内留有一段导管无法取出，如 a 左下图所示。观察发现顶部和底部截面均可见多处微裂纹，微裂纹有些已贯穿整个壁厚，而未贯穿裂纹扩展方向由内壁侧启裂向
6、外壁侧扩展，从内壁观察裂纹为纵向裂纹，外壁未发现肉眼可见裂纹，如a 右下图所示。16 (2)2 号大小头整体宏观照片如图 3b 左上所示，两侧截面均为切割面。外壁侧发现一处微裂纹，与轴向约呈 45，如图 3b 右上图所示。顶部截面内壁侧可见一处微裂纹，底部截面未发现肉眼可见裂纹，如图 3b左下和右下所示。17 (3)3 号大小头整体宏观照片如图 3c 左上所示，两侧截面均为切割面，靠近顶部凹槽切割时造成非原始设备结构。顶部截面 3 处裂纹已贯穿，裂纹周围无明显塑性变形特征，为脆性裂纹。18 使用 PMI-MASTE Smart 型直读式光谱仪，对 C、Cr、Mo 元素的测量不确定度小于 000
7、2%，对 Si、Mn、V、Ni 元素的测量不确定度小于 0001%。对 1 号、2 号和 3 号大小头试样进行化学成分分析，检测标准为 GB/T 111702008不锈钢 火花源原子发射光谱分析方法(常规法)，表 3 为化学成分分析结果。参 照 ASME SA312Standard Specification forSeamless，Welded，and Heavily Cold Worked Austenitictainless Steel Pipes标准，大小头材料化学成分检验结果如下:19 (1)ASME SA312 要求 316L 不锈钢中 C 元素含量0035%，1 号样品 C 含量
8、为 0230%，2 号和 3 号样品 C含量均为 0220%，3 个样品 C 含量明显偏高。(2)ASME SA312 要求 316L 不锈钢中 Ni 元素含量11000%14000%，1 号样品 Ni 含量为 7550%，2 号样品 Ni 含量为 7710%，3 号样品 Ni 含量为 7670%，3 个样品 Ni 元素含量不满足标准验收下限值。20 (3)ASME SA312 要求 316L 不锈钢中 Mo 元素含量 2000%3000%，1 号样品 Mo 含量为 0100%，2 号样品 Mo 含量为 0120%，3 号样品 Mo 含量为 0120%，3 个样品 Mo 元素含量不满足标准验收
9、下限值。(4)除上述讨论的 C、Ni、Mo 元素超标以及 1 号样品 Mn 元素含量稍微超标外，3 个样品其他元素含量满足 ASME SA312 要求。21 (1)1 号大小头显微组织为奥氏体，内壁侧有较多的微裂纹，微裂纹呈沿晶开裂特征，并可见分叉状形貌，裂纹由内壁侧向外壁侧扩展。22 (2)2 号大小头母材显微组织为奥氏体，角焊缝填充金属显微组织为铸态奥氏体枝晶。内壁侧有较多的微裂纹，微裂纹呈沿晶开裂特征，并可见分叉状形貌，裂纹由内壁侧向外壁侧扩展，扩展至焊缝处终止，焊缝内未见微裂纹缺陷。23 (3)3 号大小头显微组织为奥氏体，内壁侧有较多的微裂纹，微裂纹呈沿晶开裂特征，并可见分叉状形貌，
10、裂纹由内壁侧向外壁侧扩展。24 对 1 号、2 号和 3 号大小头进行维氏硬度检验，检验标准为 GB/T 43401金属材料 维氏硬度试验 第 1部分:试验方法，测试用试验力为 100 N，试验力保持时间为 10 s。硬度检验结果见表 4。ASME SA312 标准中未对 316L 材料的硬度值作规定，参考 ASMESA213Specification for Seamless Ferritic and AusteniticAlloy-Steel Boiler，Superheater，and Heat-ExchangerTubes标准，送检大小头及导管材料硬度值满足ASME SA213 标准对
11、 316L 钢的要求。25 对 1 号大小头断口及微裂纹形貌进行扫描电镜微观观察，并对异常区域开展能谱微区成分分析。1 号大小头断口 SEM 形貌见图。可以看出，断口各区域均为典型的沿晶形貌特征，并可见较多的二次裂纹，且断面覆盖有腐蚀产物，顶部和底部截面均可见较多的微裂纹，裂纹均呈沿晶型开裂特征，裂纹扩展方向以内壁侧向外壁侧扩展为主。2627 同时，对裂纹 4、5 区域进行能谱分析，分别见图 6、图 7。发现其腐蚀产物中存在较高含量的 Cl 元素，表明设备曾经接触过氯离子环境。28分析总结05 通过上述试验可以看出，大小头裂纹均出现在母材上，金相检验及扫描电镜发现裂纹为典型的沿晶形貌特征，并可
12、见较多的二次裂纹，且断面覆盖有腐蚀产物，截面可见较多的微裂纹，裂纹均呈沿晶型开裂特征，裂纹扩展方向以内壁侧向外壁侧扩展为主，裂纹内有明显的腐蚀产物。由此表明，大小头开裂性质为典型的晶间应力腐蚀开裂。30 对样品的化学成分分析发现，大小头材质不满足ASME SA312 标准对 316L 钢的要求，C 含量明显超标(0220%0230%)，超出标准上限值 500%以上。而 C含量是影响奥氏体不锈钢晶间腐蚀的主要因素，奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀的能力会随着 C 含量的增高而降低，如果 C 的质量分数超过 0080%，产生晶间腐蚀的倾向就会大大增加。这是由于 C 可与钢中的 Cr 形成高铬的 Cr23C6 型碳化物从而导致晶界附近局部 Cr 的贫化，使钢的耐蚀性特别是耐晶间腐蚀性能下降。金相检验也表明，大小头晶界析出物较多，抗晶间腐蚀能力较弱。因此应严格控制C含量，防止Cr的贫化。同时选用更耐腐蚀及应力腐蚀的材料。3132