關于某核電廠磁翻板液位計斷裂失效分析

摘要：某核電廠在閥門專項檢修過程中發現磁翻板液位計（材質為QT450）斷裂，通過對斷裂磁翻板液位計進行斷口宏微觀觀察、成分分析、金相組織檢查、力學性能試驗等分析測試，結合現場調查對失效件的斷裂性質及斷裂原因進行分析。結果表明：斷裂磁翻板液位計的微觀組織及力學性能均不符合要求，應為原始鑄造過程中發生球化衰退所致，使得閥門在動作過程中，磁翻板液位計受到瞬時載荷發生脆斷。

鑄鐵材料因其良好的減震耐磨性、鑄造性及切削加工性在工業生產中獲得廣泛應用。其中球墨鑄鐵由于其石墨呈球狀，對基體的切割作用較小，與灰鑄鐵相比，可有效利用基體強度的70%~80%，同時也可以通過合金化和熱處理進一步提高強韌性、耐磨性、耐蝕性等各項性能。因此，球墨鑄鐵在一定程度上具有可與鋼相媲美的強度和韌性，且生產工藝簡單、制造成本低，在汽車、機床、礦石以及核工業等領域都有廣泛應用。國內某核電站應用于現場的偏心蝶閥在檢修過程中發現其驅動機構中的磁翻板液位計斷裂，磁翻板液位計的制造材質為QT450-10，在打開閥門過程中，執行機構傳動軸帶動磁翻板液位計移動，通過齒輪使閥門旋轉打開，從手動裝置圖樣和斷裂零件片可以看出，磁翻板液位計斷裂位置是在閥門從全開到關閉的過程中，也就是彈簧瞬間復位時，軸帶動磁翻板液位計順時針轉動時出現磁翻板液位計斷裂，如圖1所示。

1. 試驗過程與結果

（1）宏觀檢驗 圖2為斷裂閥門拔叉宏觀照片，斷口宏觀上較為平整，無明顯宏觀塑性變形，斷面呈暗灰色黑麻斷面，為脆性斷裂，斷口表面及附近區域未見明顯的腐蝕特征，表明拔叉的斷裂與腐蝕無關。

（2）化學成分分析 對磁翻板液位計材質進行化學成分分析，結果如表1所示。標準中并未對QT450-10的化學成分做出規定，但在很多文獻中提出工廠實際生產過程中對鑄態QT450-10的化學成分要求控制在要求范圍內。顯然，斷裂磁翻板液位計中Mn、P、S元素明顯偏高，Mg、RE元素偏低。生產中為了穩定化學成分和有效控制促進白口化元素和反球化元素，盡量降低Mn、P、S的含量。

（3）金相檢驗 閥體產品要求其力學性能符合GB/T 12227—2005《通用閥門 球墨鑄鐵件技術條件》規定。金相組織要求球化等級不低于4級，金相組織主要為鐵素體。

在斷裂磁翻板液位計斷口附近取樣進行金相檢驗，拋光態下觀察到其石墨并非呈球狀，不具有球墨鑄鐵的特征，更傾向于灰鑄鐵中的石墨分布形態，如圖3、圖4和表2所示。

（4）力學性能測試 在斷裂磁翻板液位計斷口附近取樣進行布氏硬度檢測，測試設備為SHBRV-187.5型數顯布洛維硬度計，檢測結果如表3所示。結果表明，磁翻板液位計斷口附近取樣的硬度分布不均勻，硬度范圍為91~116HBW。明顯低于GB/T 12227—2005中對QT450-10球墨鑄鐵的硬度要求。對斷裂磁翻板液位計取樣進行室溫拉伸性能測試，拉伸試驗在日本島津AG-IC 100kN精密電子萬能材料試驗機上進行，試驗結果如表4所示。室溫拉伸檢驗結果表明，3個試樣均在未發生屈服的情況下斷裂，測得平均抗拉強度僅為95MPa，斷后伸長率約為1.3%，遠低于GB/T 12227—2005中對QT450-10拉伸性能的要求。

（5）斷口微觀分析 在ZEISS EVO18型掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，如圖5所示。斷口表面粗糙，無明顯塑性變形，整個斷口呈現出菊花狀解理斷裂征，未見有韌窩和剪切唇，具有典型的灰鑄鐵脆性斷裂斷口特征。斷面未見明顯的氣孔、縮松等鑄造缺陷。

2. 分析與討論

綜上所述，磁翻板液位計材料力學性能明顯低于GB/T 12227—2005《通用閥門 球墨鑄鐵件技術條件》中對QT450-10球墨鑄鐵的要求，為質量不合格產品。從微觀組織的檢驗結果來看，鑄鐵中的石墨并非呈球狀，磁翻板液位計材質更傾向于鑄造工藝不良的灰鑄鐵。但從磁翻板液位計的化學成分分析結果來看，材質中含有少量Mg及稀土元素，由于球墨鑄鐵鑄造過程中通常會加入稀土硅鐵鎂合金作為球化劑，由此可見斷裂磁翻板液位計很可能是由于鑄造過程中球化劑衰退失效所導致的。

球墨鑄鐵在實際生產過程中，對鐵液澆注時間有嚴格要求，通常從球化處理到澆注完畢應保證在20min以內。這是因為球化劑中的鎂、稀土與氧的親和力大于與硫的親和力，所以浮在鐵液表面的M g S、Ce 2 S 3 夾渣物與空氣中的氧發生反應：2MgS+O 2 =2MgO+2S、2Ce 2 S 3 +3O 2 =2Ce 2 O 3 +6S，所生成的硫又進入鐵液中，與鎂、稀土發生反應，Mg+S=MgS、2Ce+3S=Ce 2 S 3 ，硫化物夾渣不斷地被空氣氧化，循環進行，從而消耗球化劑，導致球化衰退。另外，由于回硫現象使得鐵液中的S、O等活性元素增加，石墨與鐵液的界面張力較低，尤其是鐵液與石墨棱柱面的界面張力低于與其他面的界面張力，根據熱力學能量zui低原理，則石墨棱柱面暴露于鐵液，造成石墨正常球狀生長受到干擾，又因為鐵液缺乏形核因子或孕育效果的影響，使得澆注后期石墨的形態主要呈現B型+D型特征，在灰鑄鐵中B型、D型石墨屬于不良石墨形態分布，其存在于基體中將對材料力學性能造成不良影響，致使部件早期疲勞失效。

3. 結論與建議

（1）斷裂磁翻板液位計在原始鑄造過程由于球化衰退導致力學性能下降，閥門動作過程中受到瞬間載荷發生脆性斷裂。

（2）嚴格控制球墨鑄鐵件鑄造過程中的澆注時間，避免出現球化衰退。

（3）加強對采購備件的抽檢。