0 引 言

某核电厂自2007年运行以来已发生多起高压缸抽汽管线疏水管道泄漏事故，泄漏通常发生在疏水管道气动调节阀后的第一个或第二个弯头焊缝上。该核电厂2号机组在运行期间其疏水管道中第二个弯头出现漏水现象，经渗透检测后发现，泄漏的位置在承插焊缝上。弯头与其所连接直管段材料均为304L不锈钢，弯头的公称直径为50 mm，直管段的尺寸为φ60.3 mm×5.54 mm；焊接方式为承插焊，采用直径2.5 mm的H03Cr21Ni9焊丝，直流正接，焊接电流为143 A，电压为12 V。管线中运行的介质为汽液两相流，温度约为150 ℃，阀前压力为3.132 MPa，气动调节阀开启频率为每10 min 8～9次，通过气动调节阀的启闭进行间歇性疏水。为了找到泄漏原因，作者对该泄漏焊缝进行了失效分析。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

失效焊缝在疏水管道中的位置及宏观形貌如图1所示，泄漏位置位于直管与弯头的焊缝上，该弯头为45°弯头。

由2(a)可知，在承插焊缝中存在一条长约4 cm的裂纹，同时在裂纹下方的管道上有明显的泄漏痕迹。沿着图2(b)所示的取样区域对失效部位进行切割，显微组织分析区域如图2(c)所示。由图2(d)可知，裂纹已贯穿整个焊缝，且由内向外(焊根至焊趾)裂纹的宽度逐渐减小。

医疗体制逐步改革，法律法规逐渐完善，尊重和保护病人权益的呼声越来越大，导致医患矛盾加剧，病人往往不配合床边教学。病人周转快、住院天数缩短等也使得可供选择的床边教学病人减少。

  

图1 失效焊缝在疏水管道中的位置及宏观形貌Fig.1 Location (a) and macroscopic morphology (b) of the failure weld in drain pipe

  

图2 失效焊缝的整体形貌、取样位置、显微组织观察区域和裂纹形貌Fig.2 Overall morphology (a), sampling position (b), observation area of microstructure (c) and morphology of fracture (d) of the failure weld

1.2 显微组织

分别在如图2(c)所示的直管、弯头和焊缝处截取金相试样，经磨制、抛光，用体积分数10%的硫酸铜盐酸溶液腐蚀后，在蔡司Axio Imager A2m型光学显微镜上观察显微组织。由图3可知：直管的显微组织为孪晶奥氏体，沿管道轴线方向存在明显的轧制流线；弯头的显微组织为孪晶奥氏体+少量骨骼状的δ铁素体；焊缝组织是由奥氏体+残留δ铁素体组成的柱状晶组织。综上可知，直管、弯头以及焊缝的显微组织均未发现任何异常。

上述检测结果表明：直管、弯头以及承插焊缝的显微组织均正常；失效焊缝所在管道的振动速度峰值在规定范围内，管道振动对其疲劳失效的影响较小；局部疲劳损伤是造成焊缝开裂的主要原因。

定义1： 待检索的语句(问题)分词之后的结果词集称为“问题词集”，用“C”表示。词集C可以用由特征项表示为C(t1,t2,…,tn)，其中tk为特征项，且1≤k≤n，特征项(Term，用t表示)是指出现在词集C中的基本语言单位，主要由词和短语组成。

1.3 断口形貌

采用Charon SEIFERT型 X射线衍射应力分析仪测失效焊缝处的残余应力，结果表明，该焊缝切向方向上存在较大拉应力，最高可达204 MPa。

式中：σ为应力；ε为应变；E为弹性模量，1.95×103 MPa。

  

图3 直管、弯头以及焊缝的显微组织Fig.3 Microstructures of the straight pipe (a), elbow (b) and weld (c)

  

图4 失效焊缝断口的宏观形貌Fig.4 Macroscopic morphology of fracture of the failure weld: (a) surface cracks on the weld; (b) fracture at the straight pipe side and (c) fracture at the elbow side cleaned by the ultrasonic alcohol liquid

  

图5 失效焊缝断口的微观形貌Fig.5 Microscopic morphology of fracture of the failure weld: (a) inner side; (b) middle area and (c) outer side

1.4 运行振动参数

采用Fluke 805型加速度振动测量仪测失效焊缝所在管道在水平以及垂直方向上的振动速度峰值。测试结果表明：管道在稳态下的振动速度峰值在1.4～1.6 mm·s-1，气动疏水阀开启瞬间的振动速度峰值在2.0～2.6 mm·s-1，这满足DL/T 1103-2009中规定的振动速度峰值应小于21.3 mm·s-1的要求。由此可知，管道振动对其疲劳失效的影响较小。

1.5 运行温度与应力

当气动调节阀开启后，流体的瞬时冲击使管道产生较大的应力；当气动调节阀关闭后，管道内不存在流体冲击，在管道本身重力及其刚性约束的作用下，管道应力降低到最小值。随着气动调节阀的关闭与开启，管道上产生交变应力。焊缝是管道的薄弱部位，对疲劳工况非常敏感，在交变应力作用下，其焊根处产生疲劳源。由奥氏体不锈钢的S-N曲线可知，当应力循环次数大于106周次，应力大于奥氏体不锈钢的疲劳强度(194 MPa)[3-4]时，奥氏体不锈钢管道会出现疲劳现象。由上述试验结果可知，失效焊缝处的交变应力均大于194 MPa，且应力循环次数大于106周次，超过其疲劳强度，周而复始，从而导致焊缝的疲劳开裂[5]。同时，焊缝中存在较大的残余拉应力促进了裂纹的扩展。

σ=Eε

(1)

采用JSM 6700型扫描电镜观察图4(c)中圆圈所示区域的微观形貌。由图5可知：在焊根位置处存在多处疲劳裂纹源，呈多源疲劳现象[1]；中部为疲劳裂纹扩展区，裂纹沿着疲劳扩展线逐渐向焊缝外侧扩展；焊缝外侧为瞬断区，这是由于当裂纹扩展到该区域时，断口的有效受力面积减小，单位面积承受的载荷过大，导致瞬间断裂。由此可知，局部疲劳损伤是造成焊缝开裂的主要原因[2]。

将图2(c)所示的试样沿表面裂纹断开，观察断口宏观形貌。由图4可知：裂纹已贯穿焊缝表面，焊缝断口存在氧化现象，且由内向外(焊根至焊趾)氧化现象逐渐减弱；焊缝外侧边缘光亮，无明显氧化现象，焊缝外侧为瞬断区。由此可见，焊缝处的裂纹由焊根向焊趾扩展，这与宏观形貌的分析结果一致。

2 失效原因分析

社区家长教育缺乏主动性。社区教育功能一直是被忽略的一环，社区中成人教育一直更多存在于学位教育和学历教育中，社区教育定位不够清楚，对于社区家长教育的理解滞后，少数开展家长教育的社区也是借助其他的平台或者机构。同时，社会上对家长教育的概念更多来源于家长自我教育本身，家长的后续型学习被放置到家长个人自发和自觉学习的层次上，政府部门、社区本身和家长自我都没有意识到这是一项需要长期坚持的常规工作，它直接导致的后果是能够开展家长教育的社区很少。

在管道运行期间，采用光纤原位应变测量方法，通过在失效焊缝前后管道各布置一圈光纤传感器进行温度与应变测试。由测试结果可知：失效焊缝前后管道的温度变化分别约为70，40 ℃，应变变化分别为1 630×10-6和1 230×10-6，由式(1)计算出的应力分别为317.85，229.00 MPa。

3 结论与措施

(1) 焊缝失效的主要原因为气动调节阀的间歇性开启与关闭造成焊缝中产生较大的交变应力，且应力超过了焊缝的疲劳强度，导致其疲劳开裂，同时焊缝中存在的残余拉应力促进了裂纹的扩展。

(2) 将间歇式疏水改成连续疏水，并在气动调节阀回路上外加一条疏水管道旁路，消除由气动调节阀的启闭而引起的流体冲击。采用该措施对现场管道进行改造后，运行2 a多以来未再发现类似焊缝漏水事故。

参考文献：

[1] 杨新岐，张艳新，霍立兴，等. 焊接接头疲劳评定的局部法研究现状[J]. 焊接学报，2003，24(3)：82-86.

[2] GOSAR A，NAGODE M. Energy dissipation under thermomechanical fatigue loading[J]. International Journal of Fatigue，2012，43(48)：160-167.

[3] 陈俊梅. 局部法在焊接接头疲劳强度评定中的应用研究[D]. 天津：天津大学，2000：90-93.

[4] 拉达伊. 焊接结构疲劳强度[M]. 北京：机械工业出版社，1994：14-17.

[5] 霍立兴. 焊接结构的断裂行为与评定[M]. 北京：机械工业出版社，2000：221-352.