《核电厂材料学》第8部分(老化管理和失效分析基础)

8老化管理和失效分析基础主要内容8.1老化管理1)2)8.2失效分析基础要求1)对老化管理和失效分析有一定的了解，为将来的工作打下基础。2)能够描述什么是反应堆,了解如何认识反应堆.讲解失效分析的实例，让学员有较为深刻的理解。核电厂能否安全、稳定、可靠、经济地运行是全世界普遍关注的问题。由于核电厂的运行工况严酷，设备在高温、高压、强辐射和腐蚀的条件下会发生降级和老化，甚至失效。设备和部件、结构的失效轻则会导致停产，重则会引发事故。因此失效分析和老化管理、寿命预测是核电厂的一项重要工作。要求核电厂老化管理的好坏，直接影响到核电厂的安全和经济效益，对核电的可持续发展有重要意义。因此对核电厂设备、部件、结构（下面简称设备）的老化情况进行定期的监督和监测，及时发现问题、解决问题并积累数据，进一步了解损伤机理、调整管理制度、恢复设备功能等方面的工作已引起核电行业的高度关注，对这方面的技术需求也日益强劲，现已发展成为一项专门的研究课题，并越来越得到重视。要求8.1老化管理老化管理具有强烈工程背景和较强基础性的应用技术研究。1.设备筛选。根据它们对安全、稳定运行的重要性进行排序，确定影响核电厂安全与寿命的关键设备的清单；2.关键设备监督和定期检查。及时发现问题，分析问题；研究失效模式和失效机理，了解老化现象、老化效应、老化机理；追究影响老化的关键因素和减缓老化的基本方法；3.开展老化效应的监督、监测技术研究，提高探测概率，减少误报率，研究老化评估方法；4.修复技术研究，对可以修复的缺陷要进行修复，修复之后也要进行评估，然后才能再次使用；5.建立核电厂老化管理和寿命评估数据库；6.制定监测、监督制度、大纲、法规和标准，条件成熟的要制定国家的相应法规和大纲（监测、检查、评估，发放执照等）；7.实施正规的老化和寿命管理。关键设备压力容器、堆内构件、主泵、稳压器、稳压器管嘴、冷却系统主管道、主回路管嘴、电缆、安全壳、蒸汽发生器等。因此我国也必须制定符合我国国情的核电厂关键设备清单。核电厂的老化管理思路核电厂的工作人员要有设备老化的概念，并且有监督、监管方面的责任心，需要进行以下几方面的工作：（1）了解核电厂设备所用的材料和工艺；（2）了解设备的运行环境：温度、压力、辐射剂量、应力状态等；（3）了解可能的故障类型：辐照脆化、低温脆断、疲劳（机械疲劳、热疲劳）、蠕变（辐照蠕变、热蠕变）等；（4）观察并记录老化现象，进行老化机理的研究、探讨；（5）有制度的要严格按照制度，执行检测、监督有关条例和措施，并详细记录；（6）完整地保存每次的设备运行状况分析记录、维修记录以及故障分析记录；（7）实时采集数据并进行数据分析，数据管理，存入数据库；核电厂管理人员的工作（1）组织进行设备的运行周期认证；（2）组织汇总情况和组织专家评审；（3）建立计算机网络，形成对全厂设备的老化管理系统；（4）重复上述过程并逐步完善，获得对全厂设备、构件、部件的管理经验；（5）总结经验，制定厂级法规、大纲、评估方法和评估标准；（6）与核电厂上级管理机构联系，把本厂的经验、教训送交有关机构，以制定国家级的核电厂老化管理法规、大纲、评估方法和评估标准；（7）实施国家相关法规、大纲、评估方法、评估标准，并及时反馈相关信息。8.2失效分析基础失效分析基础

在核电厂运行过程中，我们可能遭遇设备故障，也有可能会发生意想不到的灾难事故。在发生故障或事故时怎么把损失降到最低，怎么从事故中吸取教训，得到经验，回避事故，防止类似事故的发生是十分重要的。通过失效分析，了解故障发生的原因和失效机理，可以对故障进行有目的的避让。失效分析的必要性1。通过分析总结经验教训，防止同类事故再次发生；2。改进设备结构或选择更适宜的材料减小事故发生概率；3。改进运行或维修规范使发生故障的环境改变，从而防止事故的发生或减小事故发生的概率。失效的定义失效是指由材料制成的构件在服役过程中发生变形、腐蚀、磨损、断裂等损坏，导致设备或工程结构工作效率降低、无法继续使用不得不提前退役，甚至发生重大故障的现象。而功能材料的失效还有物理性能的降级或丧失这一类问题。断裂失效机件断裂失效是由于材料不能满足服役时的力学、化学、热学等外界条件的要求。它可能是由结构设计、材料选择、加工工艺和使用条件几方面的因素造成的。在各类失效现象中，断裂是最危险的，尤其是脆性断裂，往往会引起爆炸这样的恶性事故。断裂的种类根据断裂前的变形状态：有-塑性断裂无-脆性断裂根据断口与应力的方位关系：┷-正断

45°-切断根据裂纹扩展路径与晶粒边界的关系：无关-穿晶断裂有关-沿晶断裂根据断裂的微观机理：微孔聚集型断裂（韧窝断口）解理断裂（羽毛状，扇形断口）准解理断裂（星花特征）沿晶断裂（冰糖状，石状断口）疲劳断裂（海滩纹，疲劳辉纹）韧窝断口解理断口（羽毛状）解理断口（扇形花样）准解理断口锆合金的应力腐蚀断口沿晶断口（石状）沿晶断口（冰糖状)疲劳断口（1）疲劳断口（2）断裂的过程断裂的过程是通过裂纹形成，裂纹扩展进行的1裂纹形成

1）构件中原有的缺陷（发裂、气孔、疏松折叠、夹渣、夹杂等；工件表面缺陷（深刀纹、擦伤、蚀坑等）

2）位错塞积形成的（在应力作用下位错运动，在第二相处、晶界处受阻，形成裂纹）原有缺陷（发裂）原始缺陷（疏松）位错运动位错塞积造成裂纹滑移带形成裂纹裂纹在夹杂处形成裂纹扩展裂纹扩展与否取决于裂纹尖端的应力状况和应力强度因子。试验表明裂纹尖端扩展的过程，可以单纯看作基体材料的应变集中。下图为铝合金裂纹尖端附近（P点）的位错形态：a.P点位置b.纯铝中断口下方6微米处的胞状结构，平均密度1×1010/厘米2c.2024-T4铝合金断口下方6微米处的位错缠结，平均密度2×1010/厘米2d.7075-T4铝合金断口下方2微米处的密集位错，平均密度2×1011/厘米2铝及铝合金裂纹尖端附近的位错形态裂纹失稳扩展y--裂纹形状系数，是一个无量纲常数，一般y=1-2;σ—外加应力；α—裂纹的尺寸。宏观分析一般是指十倍以下的分析，即应用放大镜或肉眼进行的观察。也即对失效部件的表征、表象进行观察。了解温度、压力、介质、机械应力、运行历史了解材质、冷、热加工工艺、热处理工艺、焊接工艺、表面处理工艺拉伸断口冲击断口微观分析微观分析是指借助于显微镜或其他手段对缺陷进行形貌或成分的分析，以得到失效发生机理的分析方法。微观分析包括金相、扫描电镜分析、微区X-射线（波谱、能谱）分析、电子衍射、X-衍射分析等。主要的目的是找到失效的根本原因和获取证据。应力腐蚀（沿晶）锆合金应力腐蚀断口钢氢脆断口（白点）锆合金内氢化腐蚀验证验证是对失效分析结果的实践回馈，是一种实验方法或实验手段。需要模拟实际环境或采用比实际环境更苛刻条件来取得结果，证实失效分析结果的可靠性。应力腐蚀开裂的特点1．局部的，个别的，而且在其它部分完好的情况下发生。2．产生应力腐蚀要同时满足三个条件：存在拉应力；材料对SCC敏感（如奥氏体不锈钢对氯离子存在的环境敏感）；特定的材料处于特定的环境中，材料与环境形成特定的SCC体系（18-8钢-----氯离子,软钢-----氢氧根离子,铜-----氨离子）。如氯离子对软钢不仅没有腐蚀作用，还有缓蚀作用。3．只在弱腐蚀介质中产生，如水介质中，不锈钢表面存在钝化膜的情况下。4．在远低于屈服强度的应力下产生。5．在中性或弱酸性的介质中容易产生，即介质的PH值对材料的影响很大。在此情况下，表面膜易破，也易长上。6．纯金属不发生SCC，因此杂质的存在对SCC有影响。7．裂纹与主应力垂直。8．SCC在宏观上是脆性的。如18-8钢的延性是很好的，但应力腐蚀开裂是脆性的。9．对于给定的材料，产生SCC的介质是很少的。即，材料对介质有选择性。鉴别方法如下1．裂纹方向与主应力垂直；2．裂纹有主干，有分枝，形如落了叶的枯树；3．断口是脆性的。扫描电镜下的特征呈：准解理、扇形、河流状、岩石状、冰糖块状、羽毛状、撕裂岭状等；4．在实际的情况下，SCC多发于点蚀坑的底部。因为蚀坑底部PH值较低，同时还存在缺口应力集中，底部的应力易超过临界应力；5．裂纹扩展的形式可以是穿晶的、沿晶的或混合型的。一般固溶的材料发生穿晶的比较多；敏化的材料（650℃，2h处理）沿晶的比较多；高镍的钢，沿晶的比较多（如In600）。600合金PbSCC690合金SCC失效分析方法（1）

现场宏观分析用放大1-10倍的方法观察（肉眼、放大镜）1，失效部件的外观调查—形貌、有无氧化、腐蚀、有无变形、断口类型、断裂部位、应力集中情况等。2，失效部件的历史调查----材质、工艺、运行记录、维修记录、有无突发事件（处理情况）等。3，经过综合分析，确定试验初步方案和取样方案----部位、数量、处理要求等。取样项目一般考虑取下列几种样品:1，化学成分复验；在失效事件中材料用错或材质不合格是较常见也较简单的事件。

2，机械性能复验：对失效原因分析很有用，但由于样品较大，要占用较多的材料，因此要精打细算，做最能反映实际情况的，最简单的。（如硬度、拉伸）

3，断口：断口记录了断裂的全过程，因此是非常重要的信息资源，必须保持其原貌。取样注意事项1，样品不能在取样过程中发生改变。如：化学成分分析试样不能混入杂质；金相分析试样不能改变组织状态；断口分析试样不能改变断口形貌等。因此取样前的处理要充分考虑这些因素。如断口的保护，切割热的去除，样品的清洗等。尽可能采用冷切割，如采用热切割要留有余量，一般火焰切割至少要留40毫米的余量，以去除对分析样品的影响。样品去污清洗前要保护好断口等。2，尽可能靠近断裂部位取样。如断口取样要保留一部分未断开部分以观察裂纹尾段的特征；化学成分、机械性能取样要尽可能靠近断口。3，要保留一部分试样。因为分析中新的情况出现是经常的，要为作补充试验留有余地。原始数据收集1，失效部件的材质清单

2，工艺过程（工艺卡片、检验合格证）

3，运行历史（包括维修记录）

4，其它偶发事件（记录或访谈）等失效分析方法（2）试验室分析1，试验室宏观分析：借助体视显微镜、数码相机观察并记录断口的宏观特征；利用酸蚀或碱蚀显露裂纹特征。

2，微观分析：利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、电子探针等微观形貌、成分、结构分析手段，观察失效机件的组织情况、断口特征和微区成分分布。结合前面了解的信息进行综合分析，逐步逼近材料发生断裂的真实原因及断裂机制。失效分析方法（3）试验验证根据分析结果，在实验室用相同的材料，模拟现场条件，进行实验，获得相同的断裂、失效模式。这是我们最希望的，因为这种情况是最具自信的分析结果。(如岛形麻点分析）但大多数情况下不能有相同的条件或可能相同的条件下试验会耗费大量的时间，因此大多数情况需作加速模拟试验，即条件更为极端。（如应力腐蚀试验）还有一些情况不可能作验证，就只能靠实践来证明了，因此改进措施相应就会比较保守。（如堆内构件失效的辐照条件模拟就很困难---T6螺栓M8-M18，T4控制棒导向管的改进，指套管的改进等）失效分析实例（1）

燃料元件锆包壳管表面“岛形麻点”分析1990年4-6月，812厂燃料棒酸洗后出现了岛形麻点。麻点直径约1毫米，7096根棒中1350根表面有这种麻点。为确保秦山核电厂安全运行要求弄清麻点的性质和形成原因。经金相、扫描电镜、电子探针微区成分分析得到信息为：麻点是突点，成份与原始成分一致，怀疑为酸洗不均匀所为。经模拟试验，获得相同类型的缺陷，随即确认为此类缺陷不会在使用中扩大，燃料棒不必报废，为燃料厂和核电厂节约了大量资金。燃料元件锆包壳管表面“岛形麻点”分析岛形麻点外观模拟麻点的外观燃料元件锆包壳管表面“岛形麻点”分析金相模拟样品的金相失效分析实例（2）

碘应力腐蚀试件的早期破损碘应力腐蚀试件是用来试验锆包壳管应力腐蚀情况的试验样品。在管内密封一定量的碘，于不同的温度、压力下观察包壳管的破损时间和破口情况，进行包壳管在裂变产物和应力条件下所造成PCI机理研究。但试件的电子束焊接的焊口处发生早期破损，有的仅用20小时。经扫描电镜和电子探针分析，裂纹有沿晶特征，晶粒长大明显。为焊接工艺不当所致。焊口部位的裂缝低倍（40X）像裂纹尾端的沿晶特征（1000X）失效分析实例（3）

快堆钠回路管道的缺陷分析快堆钠回路在安装时发现回路管道内壁有飞鸟状的裂口，裂口宽可进入指甲，疑为钠介质腐蚀造成。经分析确认为冶金缺陷（折叠），在钠介质冲刷作用下，氧化层脱落扩大而成。钠回路管道内壁缺陷外观缺陷的剖面形貌（SEI）缺陷的剖面形貌（金相）缺陷的剖面形貌（开口处形貌）失效分析实例（4）

微堆工艺管腐蚀分析微堆从1984年建成到1993年工艺管蚀穿，经历九年时间。由于工艺管与堆本体的材质一样，使用环境相同（PH6.5的常温水介质）。可以从工艺管的分析推断堆本体的情况，因此要求进行这项工作。工艺管腐蚀外观为脓疮样，有大量腐蚀产物。剖面分析揭示表面膜的缺失，是腐蚀发生的基本原因。腐蚀坑呈隧道状连接，由于腐蚀产物体积比基体增大18%，因此内部应力造成坑底应力裂纹，使腐蚀加剧。铝工艺管的腐蚀情况外观（20X）完好的氧化膜厚度（1000X）8微米氧化膜破裂处发生腐蚀（1000X）腐蚀坑底部应力导致产生裂纹（2000X）腐蚀坑底部应力导致产生裂纹（500X）腐蚀坑及孔洞相连（500X）腐蚀隧道孔洞相连形成脓疮样外观1000X）失效分析实例（5）

机车曲轴断裂北京型6000马力机车的动力是采用12缸V型排列的柴油机，其曲轴采用34CrMo加渗氮工艺。于1978年底发生曲轴的第六位连杆颈断裂。该曲轴是1977年2月15日出厂，配属天津段，仅使用81270公里。该工件装入第一台车出厂2月即出现了飞车事故，曲轴弯曲严重。卸下，调直，二次氮化后发现变形，再矫直后装入第二台车。于78年5月20日出厂，10月10日运行到京山线昌黎站发现油线，到山海关发现曲轴6位断裂。解体后发现曲轴断口呈现疲劳特征。12V240柴油机曲轴断口12V240柴油机曲轴断口进行的工作如下化学成分、机械性能、表面组织、晶粒度—从连杆颈上，断口的相对面上取样宏观、微观断口分析表面残余应力测量纵剖面取样做硫印试验查所有的工艺记录得知第一次氮化为气体氮化525-523℃，37.5小时，0.44-0.50mm深，第二次氮化为离子氮化，525℃，20小时0.38-0.41mm深，变形0.25mm,连杆颈变形0.205-1.03mm（第六位）。矫直后装车出厂。问题？调质处理不到位。由于当初采用自由锻，工件庞大，心部组织未淬透，性能较差（断裂韧性值为96-290kg/mm3/2)经加工后流线被切断氮化后矫直量大，在应力集中部位发生微裂纹成为疲劳核心，导致短周期内断裂。失效分析实例（6）

控制棒导向管漏水事件（T4）断口形貌失效分析实例（7）

吊兰下部支撑失效事件（T6）---M8X45螺栓断裂螺栓断口复型螺栓对应断口失效分析实例（8）

吊兰下部支撑失效事件（T6）---压盖螺栓裂纹起源处螺栓裂纹扩展的疲劳特征失效分析实例（9）

吊兰下部支撑失效事件（T6）---I型通量导套管磨损

来样时间：1999年5月17日堆芯位置：11#(B-6)样品尺寸：φ56X100样品材料：0Cr18Ni9Ti样品历史：堆内运行七年,停堆取出已损坏样品标称放射性剂量：20mSv/h样品实测放射性剂量：2.4mGy/h分析要求：对弯曲部位进行宏观检查，并测量弯曲量。分析结果：该导套管宏观看似有弯曲，但实际上并没有弯。弯曲是由偏磨造成的视觉误差。该管磨损十分严重，一边已磨至中心孔，并磨穿到心部。估计已磨去26mm左右；而另一边磨损较少，约10mm；最小部位只剩约直径20mm左右。表面光亮，无可见裂纹。失效分析实例（9）

吊兰下部支撑失效事件（T6）---导套管磨损失效分析实例（10）