核一级先导阀探测波纹管泄漏原因分析

作者 | 福建福清核电有限公司：胡文盛，张潇宇，郭超凡，闵济东

1概述

稳压器安全阀用于事故工况下反应堆冷却剂系统的超压保护、卸压和隔离，是保障压水堆核电厂安全稳定运行的核一级关键设备。某三代核电示范工程的稳压器安全阀分为三组，每组安全阀由两台相似的先导式安全阀串联而成，上游为保护阀，下游是隔离阀。先导式安全阀由主阀和先导阀构成，先导阀起着控制主阀启闭的功能，探测波纹管是先导阀的核心部件之一。某核电厂6号机组热态功能试验期间，稳压器安全阀组的隔离阀6RCS019VP的探测波纹管出现泄漏问题，泄漏持续增大会造成主阀关闭且无法恢复自然开度，制约调试主线。

泄漏是波纹管常见的故障模式，通过精密仪器对波纹管进行金相分析和成分分析，并综合有限元分析确认失效原因，已成为应用最广泛的失效分析手段。吕渊对船舶用316L不锈钢波纹管穿孔泄漏进行研究，发现波纹管底部凹槽积存海水中的腐蚀性元素硫和氯，导致波纹管发生垢下腐蚀直至穿孔。赵东对装配使用一个月后发生泄漏的316L不锈钢波纹管进行分析，发现高温下波纹管内壁在海水强腐蚀性环境和较大拉应力共同作用下产生应力腐蚀开裂。

以隔离阀6RCS019VP泄漏的探测波纹管为研究对象，制定波纹管切割方案，从微观目视检查、基体成分、金相组织和应力等角度进行分析，明确波纹管泄漏原因，为后续波纹管质量控制提供参考，提升机组运行的安全稳定性。

2研究对象

如图1所示，探测波纹管由端盖、内底座、外底座、小波纹管、大波纹管等零件构成，波纹管材质为X2CrNiMo17-12-2，相当于316L。

探测波纹管用于感知一回路介质的压力变化，一回路介质进入大小波纹管之间的腔室，并与先导阀的整定值比较，以改变先导阀内部流道启闭状态。以稳压器安全阀组的隔离阀为例：当一回路介质压力小于阀门整定值时，探测波纹管被压缩，先导阀内部流道导通，一回路介质驱动隔离阀的主阀关闭，实现系统低压隔离功能；当一回路介质压力大于阀门整定值时，探测波纹管被拉伸，一回路介质无法通过先导阀驱动主阀关闭，使得主阀保持自然开启。

日常运行期间，探测波纹管泄漏会造成其内部无法建压，大小波纹管腔室内的压力可能低于阀门的整定值，此时隔离阀会异常关闭且无法恢复自然开度，影响稳压器安全阀的超压保护功能，机组需要后撤检修。

图1 探测波纹管结构

3切割及分析方案

3.1 切割方案

向大小波纹管腔室充气，采用肥皂水确认波纹管的泄漏部位，发现内底座与端盖之间有气泡冒出，判断漏点位于小波纹管。

根据检查结果，对探测波纹管进行切割。首先，沿图2所示切割线1将部件对半切开；接着，沿切割线2，分离端盖；沿切割线3，将小波纹管与内底座、大波纹管和外底座分离，完成切割后可观察小波纹管外表面，以便查找漏点。观察小波纹管外表面后，再沿图3所示的切割线4将小波纹管与内底座完全分离，观察小波纹管内表面。

图2 切割线1~3

图3 切割线4

3.2 分析方案

切割后，宏观检查小波纹管的内外表面，发现两节波纹间变形偏大（图4）。利用扫描电子显微镜（SEM）观察小波纹管的内外表面，并未发现小波纹上存在明显的破口、贯穿性裂纹等异常特征（结果见第4节形貌分析）。

图4 小波纹管外表面

根据稳压器安全阀运行工况，波纹管承受一回路介质环境引起的静压载荷以及阀门启闭和介质压力波动时造成的动态载荷。小波纹管无明显破口、颈缩、翻边等特征，表明小波纹管并不是由于受载过大而破损，即小波纹管在服役时并不存在压力过大的情况。失效的可能原因包括小波纹管在动态载荷条件下发生疲劳开裂或由于高温高压水环境发生氢致应力腐蚀开裂，这两种失效模式不会导致小波纹管产生明显破口；由于安全阀实际服役温度不高于55℃，波纹管发生氢致应力腐蚀开裂的可能性较小。

由于SEM观察未发现小波纹管上的贯穿性裂纹缺陷，需分析波纹管制造时是否存在缺陷，因此需分析波纹管基体材质以及图2所示两条焊缝位置的金相组织是否存在异常。

4结语

送检波纹管成分无异常，小波纹管与上下端连接处金相组织无异常，由波纹管表面检查结果判断，导阀由于小波纹管（内侧波纹管）制造时焊接位置热影响区形成的裂纹，运行期间压力波动使裂纹发生疲劳扩展形成贯穿性裂纹，从而引起波纹管泄漏失效。

根据厂家提供的供货文件，导阀装配后进行泄漏试验，即载荷不变的验证试验，实际波纹管服役时会承受一回路压力变化（15.3~15.5 MPa.a），即其实际承受变化的载荷，当波纹管上存在制造缺陷时，这些缺陷部位容易引起疲劳裂纹萌生及扩展，导致泄漏失效，因此提出以下改进措施：

（1）工厂在波纹成型后开展表面质量检验，注意选择可检查出长度尺寸在100~500 μm裂纹的无损检验方法。

（2）参考GB/T 14525-2010《波纹金属软管通用技术条件》开展波纹管的动态弯曲试验。

（3）如问题重发，则考虑开展成品的疲劳试验，以波纹管服役期间压力波动范围为测试条件，检查先导阀成品在压力波动一定周次后（以更换周期内评估的压力波动次数为参考）其探测波纹管的可靠性。

*本文节选自《阀门 · 学术版》2023年第5期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。