核电站调节阀气动执行机构焊缝开裂原因分析

核电站调节阀气动执行机构焊缝开裂原因分析

桂允哲付祥冲

桂允哲付祥冲

（辽宁清河电力检修有限责任公司辽宁铁岭112003）

摘要：2010年6月15日，香港中华电力证实，中国第一代核电站深圳大亚湾3月11日，日本东北地区发生了9级特大地震和超级海啸，随后又发生福岛核电站核泄露和核辐射严重事故愈演愈烈，且有失控趋势，从而可能造成一场难以估量的世纪灾害。针对某核电站调节阀气动头弹簧筒与气缸焊缝开裂事件，对气动头材料的化学成分、金相组织、硬度、焊缝裂纹的宏观及微观形貌、焊缝断口及焊接结构进行了试验检查，分析了焊缝开裂的根本原因，并提出了相应的改进措施和建议。

关键词：核电站；气动头；失效；焊缝；开裂

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。

（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。

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SiMn-Fe。

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。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。

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162～168HV30，符合标准要求；焊缝硬度为206HV30，高于母材硬度的幅值，且满足DL/T1118—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。

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。

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，大部分焊缝金属虽已受到焊接热影响，但并未完全融合，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。沿焊缝裂纹将断口打开，对断口组织进行扫描电镜观察，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。

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。焊缝尺寸为：支撑管连接高度h为10～11mm，弹簧筒壁厚t1为4～5mm，气动头壁厚t2为4～5mm，角焊缝焊脚高度hf为3～4mm。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767μm，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4mm，并且根据制造厂文件要求焊脚高度应不小于5mm。而实际焊脚高度最小仅为0.7mm，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。

参考文献：

[1]赵建仓，成鹏，孙志强，等．大亚湾核电站疏水隔离阀密封焊开裂原因分析[A]．见：李国刚．环境监测技术新进展：庆祝中国环境监测总站成立30周年论文集[C].北京：化学工业出版社，2010．603-606．

[2]孙琳，李振．CPR1000核电蒸汽转换器系统（STR）设计特点[J]．科技信息，2010，28（33）：778-779.