核级手动截止阀Ω焊缝凝固缺陷成因研究.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第 1 1 期 流体机械 1 3 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 o 1 4 1 1 0 0 1 3 0 4 核级手动截止阀 Q焊缝凝固缺陷成因研究 黄红科 ， 唐毅 ， 刘洋 ， 张建强 1 ． 中核武汉核电运行技术股份有限公司， 湖北武汉4 3 0 0 0 0； 2 ． 武汉大学， 湖北武汉4 3 0 0 7 4 摘要 采用显微硬度测量、 金相和扫描电镜 S E M 观察对不锈钢手动截止阀焊接接头各微区的硬度进行测量； 对 n 焊缝 、 热影响区 H A Z 和母材的显微组织进行观察； 对接头的断口形貌进行观测分析。结果表明 接头各区域的硬度分 布差异不大 ， 分布较为均匀 ， 而 2 试样 H A Z的硬度高于 1 。n焊缝金属柱状晶粗大， 晶粒 柱状和胞状晶 的方向性强 ， 晶间存在偏析 ， 焊缝已形成沿晶界开裂。主要原因是 Q焊缝装配间隙部位在冷却结晶时因液态填充不够， 形成缩松、 缩 孔。在焊接应力／ 应变场作用下， 拉伸应变或应变率超过此时材料的临界塑性和临界应变率时则产生焊接凝固裂纹。 关键词 截止阀； n焊缝； 金相组织； 凝固缺陷； S E M 中图分 类号 T H1 3 7 ； T G 4 0 7 文献标志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 50 3 2 9 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 0 3 An al y s i s o f Nu c l e ar Gr ad e M a n ua l Va l v e Ome g a W e l d So l i di fic a t i o n De f e c t s HUAN G Ho n g k e ， T ANG Yi ， L I U Ya n g ， Z HANG J i a n q i a n g 1 ． C h i n a N u c l e a r P o w e r O p e r a t i o n T e c h n o l o g y C o r p o r at i o n ， Wu h a n 4 3 0 2 2 3 ， C h i n a ； 2 ． Wu h a n U n i v e r s i t y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4， C h i n a Ab s t r a c t T h e mi c r o h a r d n e s s o f w e l d e d j o i n t w a s m e a s u r e d ， a n d t h e m i c r o s t r u c t u r e a n d f r a c t u r e mo r p h o l o gy o f w e l d e d j o i n t s h a d b e e n o b s e r v e d b y u s i n g m e t a l l o g r a p h i c a n d s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e S E M ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t O me g a w e l d me t a l i n s t a i n l e s s s t e e l m a n u a l v al v e i s c o a r s e c o l u mn a r c r y s t a l ， a n d e x i s t s s t r o n g d i r e c t i o n o f g r a i n s c o l u mn a r a n d c e l l u l a r c rys t a 1 ， a n d i n t e r g r a n ul a r s e g r e ga t i o n， i n t e r g r a n ul a r c r a ck i ng i n we l d h a d f o r me d a l o ng t h e g r a i n bo un da r y． Th e ma i n r e a s o n s a r e t ha t t h e l i qu i d fi l l i n g o f t h e a s s e mb l y g a p r e g i o n of Ome g a we l d i s n o t e n o u g h d u rin g p r o c e s s o f c o o l i n g c rys t a l l i z a t i o n， S O t h a t s h ri n k a g e p o r o s i t y p r o d u c e d ． T h e w e l d i n g s o l i d i fi c a t i o n c r a c k w i l l b e f o r m e d i f t h e t e n s i l e s t r a i n o r s t r a i n r a t e e x c e e d s t h e c ri t i c al p l a s t i c i t y a n d t h e c r i t i c a l s t r a i n r a t e o f ma t e r i a 1 ． Ke y wo r d s c u t o ff v a l v e ； Ome g a we l d； me t all u r g i c a l s t r u c t u r e ； s o l i d i fi c a t i o n d e f e c t ； s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e 1前言 阀门在核电站的安全稳定运行 中起着重要的 作用 ， 核 电站 的迅猛发展 ， 促使阀门制造业快速增 产 J 。虽然我 国已经建立了较为完整 的阀门制 造工业体系 ， 大部分核 电阀门已经能够立足于国 内， 但关键部位使用的阀门仍然需要进 口， 对国内 核电站建设成本及进度控制的影响很大。加速阀 门的国产化进程 已成为我 国核 电工业发展的重要 战略步骤 ， 也是我国核 电建设企业及 阀门生产企 业面I临的新问题 。国际上因阀门故障而造成 的事故 ， 约 占整个核电站事故 的 2 5 ％ ， 位居第一 。 在机组运行期间， 每年花费在 阀门上 的维修费用 收稿 日期 2 0 1 4 0 62 0 修稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 9 占维修总额的 5 0 ％ 以上 J 。因手 动截止 阀 Q焊 缝漏泄而引起 的核 电事故时有发生 ， 主要原 因为 制造过程中 焊缝存在缺陷， 使用时因应力和腐 蚀介质共同作用导致焊缝产生应力腐蚀开裂 。焊 接缺陷的存在将加快应力腐蚀速度 ， 缩短阀门使 用寿命 ， 严重威胁 电站安全。由于对应力腐蚀 的 认识机理及控制还存在一定 的局限， 而对 Q焊缝 应力腐蚀的研究工作很少 J 。因此 ， n 焊缝制造 质量的重要性倍受关注。 在调试 运 行 中 ， 核 级 手 动 截止 阀 规 格 为 D N 2 5 、 阀体为不锈钢材料 产生 了泄漏 。由于该 阀门投入使用时问较短 ， 初 步分析为制造缺陷引 起阀门失效。为了验证这种分析， 本项 目抽检了 1 6 F LUI DmACHI NERY Vo 1 ． 4 2， No ．1 1， 2 01 4 存在时间过长而产生凝固裂纹等缺陷。但是增加 热输入与减小脆性温度 区间存在矛盾 ， 需要合理 调控。 其次 ， 应采用合适工艺措施改善不锈钢 手动 截止阀 Q焊缝结 晶组织 ， 避免焊缝晶粒方 向性过 强， 如细化晶粒 、 打乱柱状晶和胞状 晶的方 向性。 例如采用振动焊接、 超声焊接， 焊后热处理等， 细 化晶粒 ， 破坏晶粒生长的方 向性 。 另外 ， 在脆性凝固温度 区间内， 拉应力产生的 应变或应变率超过此时材料的临界塑性储备和应 变率是产生凝 固裂纹等缺陷的主要外 因。因此 ， 应采取合理 的措施 降低或消除焊接拉应力 ， 特别 是在脆性凝固温度区间内。 5 结论 1 不锈钢手动截止阀 Q 焊缝金 属柱状 晶 粗大 ， 晶粒 柱状和胞状 晶 的方 向性强 ， 晶问存 在偏析 ， 会导致晶间脆弱。在焊接应力／ 应变场作 用下 ， 易形成沿柱状 晶开裂。而上下唇交界处装 配间隙部位为薄弱环节 ， 容易形成缩松 、 缩孔 、 焊 接凝 固裂纹 ； 2 接头各 区域 的硬度分布差异不大 ， 1 试 样中熔合线和靠近熔合线处 H A Z的硬度较其它 部位低 ， 2 则相反 ， 其它部位的硬度值 差别 不大 ， 分布较为均匀； 3 断 口分析显示 ， Q焊缝易形成夹杂、 缩松 等缺陷， 导致焊缝塑性 、 韧性较差 ； 4 应采取合理的冶金和工艺措施消除 n 焊缝 的凝 固缺陷 ， 减小拉伸应力应变 ， 提高焊缝的 塑性和韧性。 参考文献 彭俊， 俞军． 世界核电现状和发展趋势简介 [ J ] ． 核 安全 ， 2 0 0 7 ， 4 5 6 5 8 ． 秦武， 李志鹏 ， 靳卫华， 等． 核阀的使用现状和发展 [ J ] ． 通 用机 械 ， 2 0 0 8 1 4 1 _ 4 6 ． 邱明杰， 沈庆春． 攻破核电站关键阀门技术， 开辟核 电站国产化道路[ J ] ． 通用机械， 2 0 0 9 ， 4 l 8 一 l 9 ． 张兴法． 核电阀门国产化研究 [ J ] ． 中国核电， 2 0 1 1 ， 4 2 1 3 8 1 4 5 ． 唐伟． 微观尺度下核电结构材料应力腐蚀裂纹断裂 参量分析[ D] ． 西安 西安科技大学 ， 2 0 1 2 ． 魏艳 红 ， 刘仁培 ， 董祖珏 ． 不锈 钢焊接凝 固裂纹应力 应变场数值模拟结果分析[ J ] ． 焊接学报， 2 0 0 0 ， 2 1 2 3 6 3 8 ． 董志波， 魏艳红， 刘仁培， 等． 不锈钢厚板焊接凝固 裂纹驱动力的三维数值模拟 [ J ] ． 金属学报 ， 2 0 0 5 ， 4 1 2 2 1 4 - 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6 8 ． 『 1 7 ] Y u B ， L i J ． S o m e F r a c t a l C h a r a c t e r s o f P o r o u s m e d i a [ 1 8 ] [ 1 9 ] [ 2 0 ] [ J ] ． F r a c t a l s ， 2 0 0 1 ， 9 3 3 6 5 3 7 2 ． 戴叶． 多孔介质相对渗透率的耦合模型[ D] ． 武汉 华 中科技大学 ， 2 0 1 1 ． 蔺继英． 增压泵用机械密封稳态分析及改进 [ J ] ． 化 工设备与管道， 2 0 1 3 ， 5 0 2 5 2 - 5 4 ． 葛家理． 现代油藏渗流力学原理 第 3版 [ M] ． 北 京 石油工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 作者简介 包超英 1 9 9 0一 ， 女 ， 硕士研究 生 ， 主要从 事流体 密封研究 ， 通讯地址 3 1 0 0 3 2浙江杭州下城区潮王路 1 8号浙 江工 业大学机械工程学 院。 1 』1 J] J] J 1j] J 1 j 二_