关于某核电厂磁翻板液位计断裂失效分析

摘要：某核电厂在阀门专项检修过程中发现磁翻板液位计（材质为QT450）断裂，通过对断裂磁翻板液位计进行断口宏微观观察、成分分析、金相组织检查、力学性能试验等分析测试，结合现场调查对失效件的断裂性质及断裂原因进行分析。结果表明：断裂磁翻板液位计的微观组织及力学性能均不符合要求，应为原始铸造过程中发生球化衰退所致，使得阀门在动作过程中，磁翻板液位计受到瞬时载荷发生脆断。

铸铁材料因其良好的减震耐磨性、铸造性及切削加工性在工业生产中获得广泛应用。其中球墨铸铁由于其石墨呈球状，对基体的切割作用较小，与灰铸铁相比，可有效利用基体强度的70%~80%，同时也可以通过合金化和热处理进一步提高强韧性、耐磨性、耐蚀性等各项性能。因此，球墨铸铁在一定程度上具有可与钢相媲美的强度和韧性，且生产工艺简单、制造成本低，在汽车、机床、矿石以及核工业等领域都有广泛应用。国内某核电站应用于现场的偏心蝶阀在检修过程中发现其驱动机构中的磁翻板液位计断裂，磁翻板液位计的制造材质为QT450-10，在打开阀门过程中，执行机构传动轴带动磁翻板液位计移动，通过齿轮使阀门旋转打开，从手动装置图样和断裂零件片可以看出，磁翻板液位计断裂位置是在阀门从全开到关闭的过程中，也就是弹簧瞬间复位时，轴带动磁翻板液位计顺时针转动时出现磁翻板液位计断裂，如图1所示。

1. 试验过程与结果

（1）宏观检验 图2为断裂阀门拔叉宏观照片，断口宏观上较为平整，无明显宏观塑性变形，断面呈暗灰色黑麻断面，为脆性断裂，断口表面及附近区域未见明显的腐蚀特征，表明拔叉的断裂与腐蚀无关。

（2）化学成分分析 对磁翻板液位计材质进行化学成分分析，结果如表1所示。标准中并未对QT450-10的化学成分做出规定，但在很多文献中提出工厂实际生产过程中对铸态QT450-10的化学成分要求控制在要求范围内。显然，断裂磁翻板液位计中Mn、P、S元素明显偏高，Mg、RE元素偏低。生产中为了稳定化学成分和有效控制促进白口化元素和反球化元素，尽量降低Mn、P、S的含量。

（3）金相检验 阀体产品要求其力学性能符合GB/T 12227—2005《通用阀门 球墨铸铁件技术条件》规定。金相组织要求球化等级不低于4级，金相组织主要为铁素体。

在断裂磁翻板液位计断口附近取样进行金相检验，抛光态下观察到其石墨并非呈球状，不具有球墨铸铁的特征，更倾向于灰铸铁中的石墨分布形态，如图3、图4和表2所示。

（4）力学性能测试 在断裂磁翻板液位计断口附近取样进行布氏硬度检测，测试设备为SHBRV-187.5型数显布洛维硬度计，检测结果如表3所示。结果表明，磁翻板液位计断口附近取样的硬度分布不均匀，硬度范围为91~116HBW。明显低于GB/T 12227—2005中对QT450-10球墨铸铁的硬度要求。对断裂磁翻板液位计取样进行室温拉伸性能测试，拉伸试验在日本岛津AG-IC 100kN精密电子万能材料试验机上进行，试验结果如表4所示。室温拉伸检验结果表明，3个试样均在未发生屈服的情况下断裂，测得平均抗拉强度仅为95MPa，断后伸长率约为1.3%，远低于GB/T 12227—2005中对QT450-10拉伸性能的要求。

（5）断口微观分析 在ZEISS EVO18型扫描电镜下观察断口微观形貌，如图5所示。断口表面粗糙，无明显塑性变形，整个断口呈现出菊花状解理断裂征，未见有韧窝和剪切唇，具有典型的灰铸铁脆性断裂断口特征。断面未见明显的气孔、缩松等铸造缺陷。

2. 分析与讨论

综上所述，磁翻板液位计材料力学性能明显低于GB/T 12227—2005《通用阀门 球墨铸铁件技术条件》中对QT450-10球墨铸铁的要求，为质量不合格产品。从微观组织的检验结果来看，铸铁中的石墨并非呈球状，磁翻板液位计材质更倾向于铸造工艺不良的灰铸铁。但从磁翻板液位计的化学成分分析结果来看，材质中含有少量Mg及稀土元素，由于球墨铸铁铸造过程中通常会加入稀土硅铁镁合金作为球化剂，由此可见断裂磁翻板液位计很可能是由于铸造过程中球化剂衰退失效所导致的。

球墨铸铁在实际生产过程中，对铁液浇注时间有严格要求，通常从球化处理到浇注完毕应保证在20min以内。这是因为球化剂中的镁、稀土与氧的亲和力大于与硫的亲和力，所以浮在铁液表面的M g S、Ce 2 S 3 夹渣物与空气中的氧发生反应：2MgS+O 2 =2MgO+2S、2Ce 2 S 3 +3O 2 =2Ce 2 O 3 +6S，所生成的硫又进入铁液中，与镁、稀土发生反应，Mg+S=MgS、2Ce+3S=Ce 2 S 3 ，硫化物夹渣不断地被空气氧化，循环进行，从而消耗球化剂，导致球化衰退。另外，由于回硫现象使得铁液中的S、O等活性元素增加，石墨与铁液的界面张力较低，尤其是铁液与石墨棱柱面的界面张力低于与其他面的界面张力，根据热力学能量zui低原理，则石墨棱柱面暴露于铁液，造成石墨正常球状生长受到干扰，又因为铁液缺乏形核因子或孕育效果的影响，使得浇注后期石墨的形态主要呈现B型+D型特征，在灰铸铁中B型、D型石墨属于不良石墨形态分布，其存在于基体中将对材料力学性能造成不良影响，致使部件早期疲劳失效。

3. 结论与建议

（1）断裂磁翻板液位计在原始铸造过程由于球化衰退导致力学性能下降，阀门动作过程中受到瞬间载荷发生脆性断裂。

（2）严格控制球墨铸铁件铸造过程中的浇注时间，避免出现球化衰退。

（3）加强对采购备件的抽检。