胡文盛，张潇宇，王仪美，吴 起，郭超凡，谢祖妙

稳压器喷淋阀碟簧断裂机理分析

胡文盛1，张潇宇1，王仪美2，吴 起3，郭超凡1，谢祖妙1

（1. 福建福清核电有限公司，福建 福清 350318；2. 中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉 430073；3. 核电运行研究（上海）有限公司，上海 200126）

稳压器喷淋阀是核电厂用于反应堆冷却剂系统压力控制和维持一回路均匀水化学的关键设备。针对某核电厂稳压器喷淋阀的碟簧断裂案例，通过宏观形貌分析、尺寸测量、残余应力测试、化学成分分析、硬度测试、显微组织对比分析、第二相分析和断口微观形貌分析，发现碟簧断裂主要原因是热处理工艺不当，晶界处析出大量δ相导致材料韧性降低，并在外载荷作用下发生了沿晶脆性开裂。进而明确了碟簧的固溶热处理要求，即：在最低温度为925～1 010 ℃之间进行固溶热处理并通过空冷或更快速方式冷却，随后进行结构硬化处理，包括在（720±10）℃保持8 h，然后在炉内降温到（620±10）℃，并在这个温度保持10 h，随后空气冷却。

稳压器喷淋阀；碟簧；断裂；机理；热处理

稳压器喷淋阀是核电厂关键敏感设备，用于核电厂反应堆冷却剂系统压力控制和维持一回路均匀水化学。2019年初，某核电厂稳压器喷淋阀2RCP002VP所在喷淋管线温度2RCP003MT从281.5 ℃异常突升到290.1 ℃，一回路压力同步改变，稳压器比例式电加热器输入功率从50%上升到80%。运行人员手动投入一组通断式电加热器2RCP002RS，降低比例式电加热器输入功率，稳定了一回路压力。经分析初步判断稳压器喷淋阀的内件异常，造成阀门通流面积增大，喷淋流量突然增大。

机组大修期间对稳压器喷淋阀2RCP002VP进行解体，发现阀体内的阀座碟簧已经断裂，一半残留在阀腔内，另一半掉落到稳压器中，造成阀芯和阀座间的预紧力丧失，导致介质通流面积增大，符合预期判断。碟簧的材质为Inconel 718，外径91.30 mm，内径68.30 mm，厚度0.74～0.79 mm，重18.60 g。为避免类似问题再次发生，对碟簧进行了失效分析，并给出优化措施。

1 检测分析

1.1　宏观检查

失效碟簧正反面宏观形貌如图1所示。碟簧有两个断口，断口较为平整，在正面可见一圈压痕，背面内圈存在磨痕，其中以两个断口为分界，右侧部分内圈磨痕更为光亮。

图1　碟簧正反两面宏观形貌

1.2　尺寸测量

对失效碟簧的厚度、内外径差/2、内径、外径进行了测量，结果列于表 1。为防止断口摩擦损伤，在测量内、外径过程中，两断口间保持较小的间隙，因此内外径测量结果与实际尺寸存在一定偏差。比较实测值与设计值可知，碟簧尺寸满足设计要求。

1.3　化学成分分析

对失效碟簧和备件碟簧进行化学成分分析，结果如表2所示。两种碟簧化学成分满足设计要求。

表1　碟簧尺寸测量结果

表2　失效碟簧和备件碟簧化学成分分析结果 wt.%

1.4　硬度测试

为对比失效碟簧和备件碟簧的硬度，选用载荷1 kg，每隔2 mm测试碟簧的维氏硬度。结果如表3所示。失效碟簧的硬度值略低于备件。Inconel 718合金是一种沉淀强化型镍基合金，硬度差异与弥散分布的沉淀相相关，若沉淀相较少，则硬度偏低；若沉淀相较多，则硬度偏高。

表3　失效碟簧和备件的硬度测试结果

1.5　微观组织分析

运用金相显微镜对备件碟簧和2RCP002VP失效碟簧进行了显微组织分析。备件碟簧的显微组织如图2所示，其低倍照片［见图2（a）］表明，为奥氏体组织，晶粒尺寸比较均匀，存在孪晶；高倍照片［见图2（b）］表明，在晶界、孪晶界处，有少量颗粒状的第二相析出。失效碟簧的显微组织如图3所示。失效碟簧为奥氏体组织，晶粒尺寸不均匀，发生了晶粒长大，存在孪晶，在晶界、孪晶界处，有大量颗粒状的第二相析出。

图2　备件碟簧的显微组织

图3　失效碟簧的显微组织

图3　失效碟簧的显微组织（续）

比较备件碟簧和2RCP002VP断裂碟簧的显微组织，可以发现二者存在两个明显不同特征，其一：失效碟簧与备件相比，失效碟簧的微观组织不均匀，晶粒尺寸相差较大，大晶粒直径可达200～300 μm，小晶粒直径不足50 μm。其二：失效碟簧的基体组织中，有大量的第二相颗粒分布在晶界，分布在晶界的第二相颗粒数量比备件多。

1.6　残余应力测试

使用XRD测试2RCP002VP失效碟簧的残余应力为（90.9±36.2）MPa，Inconel 718屈服强度至少为550 MPa，抗拉强度为965 MPa，测量的残余应力约为10%的抗拉强度[1]，判断残余应力较小（见图4）。

图4　残余应力测试结果

1.7　第二相分析

运用SEM观察了2RCP002VP失效碟簧的微观组织，并用EDS对晶界处析出的第二相颗粒进行了成分分析。第二相形貌及分布如图5所示。第二相主要分布在晶界处，三角晶界处分布尤为密集。EDS分析表明分布在晶界处的第二相颗粒为Ni、Nb、Fe、Cr、Mo的氧化物。

图5　失效碟簧晶界处第二相的微观形貌和成分分析结果

1.8　断口微观形貌分析

将备件碟簧人为拉断，运用SEM观察其断口微观形貌，结果如图6所示。断口明显呈韧窝状，属于韧性断裂。

图6　备件碟簧的断口微观形貌（a）100×；（b）1 000×

运用SEM观察了2RCP002VP失效碟簧断口的微观形貌，结果如图7、图8所示。图7为断口1的SEM形貌，可以观察到沿晶脆性断裂特征；图8为断口2的SEM形貌，断口2大部分发生磨损，从未磨损区域仍能够观察到沿晶脆性断裂特征，两个断口均呈现沿晶脆性断裂特征。

2 结果讨论

通过宏观形貌分析、尺寸测量、残余应力测试、化学成分分析、硬度测试、显微组织对比分析、第二相分析、断口微观形貌分析等，可知：

（1）备件碟簧微观组织均匀，有少量颗粒状的第二相分布在晶界、孪晶界处。失效碟簧的微观组织不均匀，晶粒尺寸相差较大，大晶粒直径可达200～300mm，小晶粒直径不足50mm。失效碟簧的基体组织中，有大量的颗粒状第二相分布在晶界。

图7　失效碟簧的断口1微观形貌（a）100×；（b）400×；（c）1 000×

图8　失效碟簧的断口2微观形貌（a）100×；（b）1 600×

（2） EDS分析表明，晶界处析出的第二相富集Nb、Ni元素，不含C元素；

（3）备件碟簧断口呈韧窝状，属于韧性断裂；

（4）失效碟簧两个断口均呈现明显的沿晶脆性断裂特征。

稳压器喷淋阀的碟簧材质Inconel 718合金是一种沉淀强化型镍基变形高温合金，主要组成相为基体γ相、δ相、碳化物，以及γ″相和γ′相两种强化相。γ′相与基体γ相结构相似，在时效时具有弥散均匀形核的特点，γ″相的一个γ″晶胞可以看作两个γ′晶胞叠加起来形成的晶胞，在时效时也具有弥散均匀形核的特点，因此γ′相和γ″相在基体中析出时，往往在晶粒内部均匀分布，不会大量分布在晶界处。而δ相与基体非共格，在晶内析出相对困难，且由于晶界和孪晶界含有大量缺陷，可降低δ相形核所需的能量，因此δ相首先在晶界和孪晶界上析出[2]。EDS分析表明，晶界处析出的第二相富集Nb、Ni元素，不含C元素，因此排除碳化物、γ″相和γ′相，由此可以判断失效碟簧晶界处析出的是δ相。

研究表明，δ相大量析出会引起强化相γ''、γ′相的减少，导致材料屈服强度降低，且δ相析出位置（晶界）是空洞易形成和长大的地方，在外力作用下易于诱发材料导致沿晶开裂[3]。此外，在Inconel 718合金中，δ相与基体的接触界面为大角度晶界，与基体无共格关系，当δ相大量分布于晶界时，过多的δ相将降低材料的断裂韧性[4]，δ相在载荷作用下自身断裂形成微裂纹并通过微孔聚合长大机制促进裂纹扩展，裂纹沿晶界扩展，导致材料发生沿晶断裂。

δ相沿晶界大量析出的原因是热处理工艺不当。在2RCP002VP失效碟簧的基体组织中，晶粒尺寸不均匀，且有大量的δ相颗粒分布在晶界。根据RCC-M规范，牌号NC19FeNb（即Inconel 718）的棒材的交货状态为：在最低温度为925～1 010 ℃之间进行固溶热处理并通过空冷或更快速方式冷却，随后进行结构硬化处理，包括在（720±10）℃保持8 h，然后在炉内降温到（620±10）℃，并在这个温度保持10 h，随后空气冷却[5]。

在2RCP002VP失效碟簧的基体组织中，大量δ相沿晶界分布，表明在热处理过程中晶界处析出的δ相没有充分溶解，引起屈服强度和晶界调节塑性变形能力下降[6]，导致材料在外力作用下发生脆性沿晶断裂现象。因此，稳压器喷淋阀2RCP002VP碟簧断裂原因为热处理工艺不当，具体为固溶热处理温度偏低或热处理时间过短。

3 结论

（1）失效碟簧的断裂方式为脆性沿晶断裂。

（2）失效碟簧在制造期间热处理工艺不当，热处理温度偏低或热处理时间过短，在晶界处大量的δ相，导致材料韧性降低，在外载荷作用下发生了沿晶脆性开裂。

（3）为保证碟簧的强度，其材料Inconel 718合金须按照RCC-M规范进行固溶热处理。

［1］ 陆嘉文，等．镍基高温合金GH4169电解加工残余应力研究［J］．机械制造与自动化，2021，50（06）：14-16+20．

［2］ Dedvallees Y，Bouzidi M，Bois F，et al．Delt Phase in Inconel718：Mechanical Properties and Forging Process Requirements［A］．Loria E A．Superalloys718，706 and Various Derivatives［C］．Warrendale：TMS，1994：281-291．

［3］ 孙艳容．热处理制度对IN718变形合金组织和性能的影响［J］．金属热处理，2018，43：152-159．

［4］ 魏先平．热处理对Inconel 718 合金组织及力学性能的影响［J］．材料热处理学报，2012，33：53-58．

［5］ 碳钢、合金钢、不锈钢、特殊合金、铸铁等金属材料：RCC-M M篇［S］．上海：上海科学技术文献出版社，2010．

［6］ 葛锋．热处理对Inconel 718 合金组织与性能影响的研究进展［J］．热加工工艺，2013，42：177-180．

Fracture Mechanism Analysis of the Disc Spring on the Pressurizer Spray Control Valve

HU Wensheng1，ZHANG Xiaoyu1，WANG Yimei2，WU Qi3，GUO Chaofan1，XIE Zumiao1

（1. Fujian Fuqing Nuclear Power CO.LTD.，Fuqing of Fujian Prov. 350318，China；2. China Nuclear Power Operation Technology CO.LTD.，Wuhan of Hubei Prov. 430073，China；3. Nuclear Power Operations Research Institute, Shanghai 200126, China）

The pressurizer spray control valve is the key equipment used for pressure control of the reactor coolant system and maintaining uniform water chemistry in the primary circuit in nuclear power plant. In view of the fracture case of the disc spring of the pressurizer spray control valve in a nuclear power plant, through the methods of macro morphology analysis, size measurement, residual stress test, chemical composition analysis, hardness test, microstructure comparative analysis, and second phase analysis and fracture micro morphology analysis, it is concluded that the reason for the fracture of the disc spring is the improper heat treatment process and a large number of cracks at the grain boundary of Phase δ, resulting in the decrease of toughness and intergranular brittle cracking under external load. Then, the requirements for the solution heat treatment of the disc spring are clarified, that is, the solution heat treatment is carried out at the minimum temperature of 925～1010℃ and cooled by air cooling or faster method, and then the structural hardening treatment is carried out, including maintaining at 720±10 ℃ for 8 hours, then cooling in the furnace to 620±10 ℃ and maintaining at this temperature for 10 hours, and then air cooling.

Pressurizer spray control valve; Disc spring; Crack; Mechanism; Heat treatment

文章标志码：A 文章编号：0258-0918（2022）06-1425-07

2022-01-20

胡文盛（1987—）男，福建龙岩人，高级工程师，学士，现主要从事核电厂设备管理相关研究