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核級奧氏體不銹鋼管道插塞孔開裂分析
發布者:不銹鋼管廠(www.9600014.live) 發布時間:2019/12/31 閱讀:26

 為查明某核電廠核一級奧氏體不銹鋼管道射線插塞孔開裂的原因,對含插塞孔不銹鋼管段的宏微觀組織、化學成分、力學性能、顯微硬度、斷口形貌、腐蝕產物、應力分布等進行了分析。結果表明:裂紋以沿晶方式擴展,斷口呈冰糖塊脆性斷裂花樣并伴有大量氧化腐蝕產物,屬于典型的壓水堆一回路水介質條件下由應變一硬化導致的晶間應力腐蝕開裂。引起插塞孔局部應變一硬化的主要原因是插塞孔和插塞因加工或裝配過程中的過盈配合,以及密封焊縫焊接殘余應力。建議加強在役機組同類結構的檢查,減少新建機組類似結構的使用。

 

   為減少曝光時間,核電站部分大口徑核級厚壁管道環焊縫普遍采用射線插塞孔(又稱導源孔)。射線檢驗時,放射源通過垂直于管道軸線的帶內螺紋插塞孔進入管道中心曝光;檢驗完成放射源抽出后,用帶外螺紋的插塞旋入插塞孔并進行密封焊。載荷由螺紋結構承擔,焊縫僅起密封作用。2013年4月,國內某核電廠大修期間在核一級余熱排出系統奧氏體不銹鋼管道射線插塞孔周邊發現了液體滲透超標線性顯示。管道規格為#323.9mmx28.6mm,插塞孔規格為M27x1.5mm,二者通過螺紋連接,材質均為Z2CND18-12NZ(相當于美國牌號316L)。為保守決策,電廠對含插塞孔缺陷管段進行了整體更換并取消了原射線插塞結構,射線檢驗改用雙壁單影法代替。2011年,國內另一核電站余熱排出系統316L不銹鋼彎管也曾出現了因材料冷作硬化導致的晶間應力腐蝕開裂。在出現裂紋的插塞孔附近不銹鋼管段和插塞本體上線切割取樣,通過化學成分分析、力學性能和維氏硬度測試、顯微組織分析、裂紋截面分析、裂紋斷口掃描電鏡及能譜分析、插塞孔局部應力分布有限元分析等,確定了射線插塞孔缺陷性質,分析了失效原因并提出了糾正措施。

 

一、理化檢驗

   奧氏體不銹鋼具有良好的塑軔性和抗腐蝕性,常被用于制造核級工藝管道。除了常見的夾雜、分層、孔洞、劃傷、熱處理工藝不當等制造缺陷外,奧氏體不銹鋼管道在服役期間可能會出現氫脆、腐蝕和熱疲勞等役致缺陷。具體的缺陷性質需要結合理化檢驗、運行工況、環境條件等綜合判斷。

1. 宏觀、微觀形貌

   液體滲透檢驗(PT)在插塞孔周圍發現了5處裂紋,呈放射狀分布,最長達19mm,超聲實測深度約15mm。分別在管材、插塞上取了4組分析試樣,裂紋宏觀形貌及取樣位置如圖所示。用光學顯微鏡觀察微觀形貌如圖所示,可以看出基本為單相奧氏體以及少量碳化物和孿晶,晶粒度為6級,晶粒尺寸約20-100pm,晶粒中未見冷加工滑移帶。近插塞孔處裂紋寬度達400nm,裂紋以沿晶界方式為擴展,在裂紋中部及裂紋尖端可見少量沿晶擴展的二次裂紋。

2. 化學成分

   管材及插塞化學成分結果如表所示,經過與《壓水堆核島機械設備設計和建造規范》(RCCM)對比,可以確定管材和插塞材質均為Z2CND18-12NZ,與設計文件相符。其中,鉻、鎳、錳等主要合金元素含量均在標準限值內,磷、硫等雜志元素含量也低于標準上限。

3. 力學性能

  管材(靠近、遠離插塞孔各取一組)常溫拉伸、高溫拉伸(350°C)、沖擊性能測試結果如表所示,結果表明管材處于固熔狀態,塑、韌性良好,力學性能指標滿足規范要求。

4. 硬度測試

   管材軸向、徑向維氏硬度分布曲線如圖所示,插塞本體維氏硬度分布如圖所示?梢钥闯,管材和插塞在裂紋部位硬度最高,并沿著遠離裂紋方向逐漸降低,二者在裂紋部位均發生了局部硬化,從而引起局部微觀組織的變化并萌生裂紋。而且,管材硬度整體高于插塞,有利于螺紋孔的保護,符合正常的螺紋結構設計要求。

5. 斷口形貌及腐蝕產物成分

   裂紋斷口呈扇形,其形貌如圖所示,粗糙的斷口表面附著有大量黑色腐蝕產物。腐蝕產物的數量直接反映了裂紋暴露在腐蝕介質中的時間長短和先后順序,表明裂紋起源于管材外表面近插塞孔處。

   斷口典型SEM形貌如圖所示,裂紋斷口為冰糖塊花樣脆性斷口,可見沿晶擴展的二次裂紋和多面體形貌腐蝕產物,未見疲勞輝紋。能譜分析結果表明腐蝕產物多為鉻、鐵、鎳的氧化物(某典型測點鉻、鐵、鎳的質量百分數分別為5.18%、50.26%和10.41%),氧離子是導致腐蝕發生的關鍵敏感元素。脫膜后許多腐蝕產物在斷口晶面上脫落而形成小孔,形貌如圖所示,可見斷口上存在沿晶的二次裂紋,呈冰糖塊花樣。

 

二、缺陷性質與成因分析

1. 插塞孔應力分析

    在模擬焊接溫度場作用下,運用有限元分析軟件分析插塞與插塞孔過盈配合時插塞孔附近管材的應力分布,因插塞孔結構對稱只需截取一半建立有限元模型,選用八節點六面體實體單元,結果如圖所示。管材外表面等效應力沿插塞孔徑向往外測遞減,最大應力327.3MPa位于螺紋孔與管材外表面相交處。插塞孔內應力沿軸向由管材外表面向內表面遞減。應力分布規律與硬度測試結果基本一致。

2. 缺陷成因分析

   斷口表面附著的大量腐蝕產物及成分分析說明缺陷與腐蝕相關,非氫脆。與316L不銹鋼相關的腐蝕失效類型主要包括:晶間腐蝕、腐蝕疲勞和應力腐蝕等,但各種失效類型從宏觀上和微觀上表現出的開裂特征不同。晶間腐蝕的裂紋出現在不銹鋼與介質所接觸的整個界面上,裂紋深度與寬度無數量級的差別,可以排除。腐蝕疲勞在裂紋斷口處(尤其是裂紋尖端)可見疲勞輝紋,在宏觀上通常表現為斷口平整、光滑,多呈鋸齒狀和臺階狀,不符合本案例微觀檢驗未見疲勞輝紋的結果。而應力腐蝕從宏觀上看斷口比較粗糙,裂紋深度與寬度相差很大,斷口呈冰糖塊脆性斷裂花樣,斷口上伴有大量腐蝕產物。與本案例前述分析結論相吻合:裂紋起源于管材外表面插塞孔附近,宏觀可見斷口粗糙,附著大量腐蝕產物,裂紋深寬比較大,未見疲勞輝紋;微觀可見裂紋及二次裂紋均以沿晶方式擴展,斷口呈冰糖塊脆性斷裂花樣,符合晶間應力腐蝕開裂的特征。

  敏感材料、特定腐蝕介質和拉應力是產生應力腐蝕必須同時具備的三個基本條件。插塞孔管材以及插塞本體均為316L奧氏體不銹鋼,國內外已有大量研宄表明316L材料在壓水堆一回路水介質條件下對應力腐蝕開裂較為敏感,尤其是存在局部存在應變一硬化時。美國通用電氣腐蝕首席科學家在實驗室做了大量有關奧氏體不銹鋼晶間應力腐蝕實驗研究及裂紋擴展速率試驗,其研宄結果顯示即使材料表面存在較小的應變如表面拋光、打磨、劃傷等,奧氏體不銹鋼在PWR回路介質條件下易于產生晶間應力腐蝕開裂,典型形貌如圖所示。

   失效插塞孔所處管段與一回路主管道熱段直接相連,正常運行時因下游閥門關閉而成為含有一回路水介質的“死管段”。插塞螺紋孔縫隙小,利于腐蝕產物的聚集。此外,在機組熱停堆階段進行的氧化運行會加劇氧離子的聚集。綜上,失效插塞孔具備產生氧致應力腐蝕的介質條件。插塞孔拉應力主要來源應變一硬化,形成原因主要包括:①在管材上加工插塞孔和用絲錐攻螺紋,不可避免地會引起管材的應變一硬化;②試樣加工過程中發現插塞和插塞孔螺紋均受到嚴重損壞,螺紋基本被磨平,說明二者存在過盈配合;③由于奧氏體不銹鋼導熱性差、線性膨脹系數大,在焊接過程中會產生較大的焊接殘余應力。設計文件特別規定:插塞擰緊焊接之前必須反轉90°,以防焊接時因熱脹冷縮損傷螺紋。

 

三、結論與建議

1. 基本結論

   通過力學性能測試、裂紋宏觀和顯微組織分析、斷口SEM/EDS分析等,可見斷口粗糙、呈冰糖塊脆性斷裂花樣并伴有大量腐蝕產物,裂紋以沿晶方式擴展且深寬比大,可以確定該射線插塞孔裂紋為典型的壓水堆一回路介質條件下因硬變一硬化引起的晶間應力腐蝕開裂。導致局部應變一硬化的主要原因是插塞孔和插塞因制造或裝配因素存在過盈配合,以及焊接殘余應力。

2. 處理措施

   若在難以更換的不銹鋼管道射線插塞孔附近發現的淺表面微裂紋或其他缺陷,可以通過打磨的方法去除原密封焊縫熔敷金屬和缺陷以后,再按照原焊接工藝實施密封焊接,焊接過程中應采取層間PT的方法來確保焊接質量。并在機組檢修期間對已處理過的射線插塞焊縫進行連續跟蹤。若在更換難度不大且便于使用雙壁單影法進行射線檢驗的不銹鋼管道射線插塞焊縫發現超標缺陷,可以考慮取消原射線插塞結構并對含插塞孔缺陷的管段進行整體更換,徹底排除隱患。

3.經驗反饋

   若鉆孔或裝配操作不當,奧氏體不銹鋼射線插塞孔結構易產生局部應變一硬化現象,存在較高的應力腐蝕開裂風險。為降低同類缺陷的發生幾率,建議加強運行機組類似結構的無損檢測監督并減少新建核電機組射線插塞結構的使用。若核級奧氏體不銹鋼管道必須采用插塞孔結構,則應加強插塞制作和裝配操作過程的質量控制。

(1)焊接前,應重點關注設計文件的相關規定:“插塞擰緊焊接之前必須反轉90°,以防焊接時因熱脹冷縮損傷螺紋”,并仔細檢查組對質量確保裝配間隙符合技術要求。

(2)采用SMAW及TIG焊接時,一方面應采用小規范小電流焊接,避免過大的焊接熱輸入導致蘭脆現象及焊接應力集中,另一方面應控制層間溫度小于150℃。

(3)焊接完成后及時進行表面清理和無損檢測,對于表面成形不良或其他缺陷應及時打磨去除后進行補焊修處理。

 
 

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