唐世延
（中国核电工程有限有限公司，福建 福清 350300）
【摘 要】某核电厂PTR系统冷却水泵法兰运行过程中产生大量缺陷，发生了硼泄漏，对核安全造成威胁。通过化学成分检验、力学分析、组织结构分析等手段对法兰进行取样失效分析。试验发现法兰本体材料以及焊接热影响区域组织晶粒粗大，非金属夹杂物在管内晶界处连续分布。冷却水泵运行引起管道以及法兰的振动峰值速度提高。在存在非金属夹杂物的情况下，在管材内壁的非金属夹杂物处产生了疲劳裂纹，并不断向外扩展，最终导致法兰的泄漏。
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关键词 失效分析；法兰；PTR系统；核电站
作者简介：唐世延 (1982—)，男，安徽砀山人，工程师，毕业于西南交通大学，研究方向为核电站新技术研究及管理。
0 引言
反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统(简称：PTR系统)是反应堆中的重要系统，它为核燃料厂房的乏燃料水池和反应堆厂房的反应堆换料水池服务，以保证乏燃料元件贮存池的持久冷却和反应堆换料水池的注水、排水和净化。
某核电厂PTR系统在运行过程中发现PTR003VB法兰发生泄漏，外表面出现硼结晶体。液体渗透检查发现在近焊缝处存在多处长约3~5mm线性缺陷显示，缺陷位于管道内壁且距离焊缝边缘约0.3mm的焊接热影响区。PTR系统其它同类法兰经液体渗透检查发现，8片法兰中有7片法兰存在线性缺陷显示。为保障核电站反应堆冷却介质的状态，确保核电站安全运行，防止后续类似事故发生，非常有必要对PTR系统失效法兰开展失效分析，判断其失效性质并分析失效原因。
1 试验方法
采用液体渗透探伤、材料化学成分分析（EDS, FEI NANO400）、材料力学性能测试（电子万能试验机，WDW-100C）、基材及裂纹截面金相分析(OM,Olympus OLS4000)、裂纹断口扫描电镜及能谱分析（SEM/EDS，FEI NANO400）等方法进行失效分析。
2 试验结果与分析
2.1 化学成分分析
失效法兰的材质为304L奥氏体不锈钢,为验证材料化学成分是否符合标准要求，从失效的法兰上截取试样进行化学成分分析，分析结果表明，化学成分符合规范的技术要求，但成分分析中发现存在较高含量（0.07%）的Al。
2.2 力学性能分析
根据GB/T228.1对失效法兰材料进行力学性能测试，结果表明，该材料的屈服强度，抗拉强度和伸长率指标均符合标准要求。
2.3 显微组织分析
对失效法兰母材与热影响区金相组织进行对比，发现焊接热影响区晶粒尺寸较大，这与焊接过程中热输入有关。
对失效法兰母材的晶界结构进行扫描电镜分析，发现夹杂物主要沿晶界分布。能谱分析结果表明夹杂物中含有Al2O3、MnS夹杂物以及Al2O3-SiO2-CaO 系复合夹杂物，上述夹杂物中以含Al的夹杂物居多。根据GB/T10561对法兰基体材料进行了夹杂物评级，评级结果为1.0~1.5级。
2.4 裂纹分析
对裂纹断口的全貌进行分析，在内壁附近可以观察到端面呈现一系列相互平行的条纹，略微弯曲，呈波浪状，并与裂纹微观扩展方向垂直，裂纹的扩展方向均朝向波纹凸出的一侧，此为疲劳裂纹的典型特征。在裂纹断口上还发现各种形态的夹杂物，EDS检测结果表明这些夹杂物为富含Al、S的非金属夹杂物。
通过扫描电镜观察管壁局部微裂纹的形貌，在微裂纹中间部位可观察到条状夹杂物，能谱分析显示含有较高含量的Al，这进一步证实了含Al夹杂物对于该法兰失效起到了至关重要的作用。
3 讨论
扫描电镜及能谱分析结果表明，材料中存在大量的含铝相非金属夹杂物。化学成分分析结果证实Al含量高达0.07%，较高的Al含量与材料的冶炼、铸造和加工过程有关。Al2O3为钢中较为常见的夹杂物，Al2O3可以有许多种形态，由于它的熔点高（2050℃），所以它往往以初晶刚玉析出，刚玉是六角形且可以与其他三价M2O3类氧化物完全互溶[1]。Al2O3的来源主要有两类：其一是将铝加入钢中脱氧时生成的，其尺寸为1~4μm左右；其二是来自耐火材料。文献[2-3]曾对304不锈钢中的夹杂物来源进行过分析，发现冶炼过程中耐火砖材料是Al的主要来源，夹杂物的主要种类是Al2O3-SiO2-CaO系复合夹杂、Al2O3夹杂、Al2O3-SiO2系硅酸盐夹杂以及SiO2夹杂。
钢中非金属夹杂物的存在降低材料的塑性、韧性和疲劳性能，尤其当夹杂物以不利的形状和分布特征存在时，对材料的力学性能影响更为严重[4-5]。危害性最大的夹杂物是来源于炉渣和耐火材料的外来氧化物，它们尺寸大、形状不规则、分布集中并且变形性差。这些夹杂物塑性很差（MnS除外），与基体相属于非共格关系，结合力较弱，其存在往往成为潜在的裂纹源，特别容易引起部件的早期疲劳破坏[6]。同时，铝硅钙夹杂物具有较高的熔点和硬度，其硬度随Al2O3含量的增加而升高，变形量小，当压力加工变形量增大时，铝硅钙被压碎并沿着加工方向呈串链状分布，严重地破坏了钢基体均匀的连续性。
钢中非金属夹杂物的变形行为与基体之间的关系，可用夹杂物与基体之间的相对变形量来表示，即夹杂物的变形率V。夹杂物的变形率可在0~1范围变化，若变形率低，钢经加工变形后，由于钢产生塑性变形，而夹杂物基本上不变形，便在夹杂物和钢基体的界面处产生应力集中，导致在钢与夹杂物的界面处产生微裂纹。在交变载荷的作用下，非金属夹杂物便成为构件在使用过程中引起疲劳破坏的隐患。
疲劳裂纹起裂于不均匀局部滑移而形成的微裂纹，主要方式为表面滑移带形成、第二相、夹杂物或其界面起裂，晶界或亚晶界起裂、各类冶金缺陷和工艺缺陷的起裂等。工程金属疲劳裂纹的萌生多发现于第二相、夹杂物处，这些部位在较低的应力下就会出现应力应变集中，裂纹易于萌生并扩展。因此，在疲劳应力作用下，疲劳易于在材料中含有上述非金属夹杂物处开始萌生和扩展。失效的管道法兰所属管道所处位置靠近水泵，该泵正常运行时为常开状态，水泵运行时的振动通过管道传导至失效的法兰，从而提供了法兰产生疲劳失效的交变载荷。
由于法兰在焊接部位为壁厚4mm的薄壁管，较多的含Al非金属杂物较多，晶粒粗大，且失效法兰所属管道的平均振动幅度为PTR系统中最大的等因素叠加使得法兰以疲劳方式失效。
4 结论
焊缝热影响区以及母材晶粒粗大，非金属夹杂物在管内壁断口区域连续分布，裂纹萌生于管材内壁的非金属夹杂物处，在疲劳载荷作用下不断向外扩展，最终导致法兰以疲劳方式失效。
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参考文献
［１］董履仁,刘新华. 钢中大型非金属夹杂物[M].北京:冶金工业出版社,1991.
［２］张雅丽,王建军,罗林根,郭上型,孔辉,周俐.304奥氏体不锈钢铸锭中非金属夹杂物研究[J].安徽工业大学学报,2011,28(4):350-354.
［３］李双江,李阳,姜周华,李伟坚.304奥氏体不锈钢夹杂物的冶金行为[J].东北大学学报:自然科学版,2010,31(3):402-405.
［４］曾光廷,李静缓,罗学厚.非金属夹杂物与钢的韧性研究[J].（下转第334页）（上接第291页）2000,18(2):87-91.
［５］许忠波,EL.Gammal.钢中夹杂物含量及其形态对钢力学性能的影响[J].钢铁研究学报,1994,6(4):18-23.
［６］廖景娱.金属构件失效分析[M].北京:化学工业出版社.
［责任编辑：邓丽丽］
