核電LLS柴油機(jī)排氣管螺栓斷裂原因分析

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(1. 福建福清核電有限公司, 福清 350318; 2. 蘇州熱工研究院有限公司, 蘇州 215004)

核電LLS柴油機(jī)排氣管螺栓斷裂原因分析

趙興保1,張忠偉2,劉獻(xiàn)良2

(1. 福建福清核電有限公司, 福清 350318; 2. 蘇州熱工研究院有限公司, 蘇州 215004)

某核電機(jī)組LLS柴油發(fā)電機(jī)排氣管與汽缸連接螺栓發(fā)生斷裂。通過宏觀及微觀分析、化學(xué)成分分析、顯微組織分析、力學(xué)性能測試等方法，對螺栓的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該GH2036合金螺栓的失效模式為沿晶脆性斷裂；失效原因為螺栓熱處理工藝不當(dāng)，導(dǎo)致晶界析出了薄片狀脆性相，弱化了晶界，造成螺栓在高溫和應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生了沿晶脆性斷裂。

螺栓；GH2036合金；熱處理；沿晶脆性斷裂

在某核電機(jī)組投運前的調(diào)試期間，維修人員在處理水壓試驗泵汽輪發(fā)電機(jī)組(LLS)系統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)排氣管泄漏缺陷時，發(fā)現(xiàn)A列排氣管與汽缸法蘭之間的連接螺栓發(fā)生斷裂。排氣管運行溫度為400～500 ℃，柴油機(jī)累計運行時間約為4.5 h。斷裂螺栓安裝在排氣管外的保護(hù)罩內(nèi)，共有8根，材料為GH2036高溫合金，規(guī)格為M10 mm×115 mm。現(xiàn)場宏觀觀察發(fā)現(xiàn)有6根螺栓已經(jīng)斷裂，1根螺栓表面有裂紋(圖1)，另有1根螺栓未見裂紋。該批螺栓的熱處理工藝為固溶+時效處理，工藝參數(shù)為：1 140 ℃保溫80 min后水冷，650～670 ℃保溫14～16 h，然后升溫至770～800 ℃保溫14～20 h后空冷。

圖1 失效螺栓宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the failed bolts

筆者對斷裂螺栓進(jìn)行了宏觀及微觀斷口分析、化學(xué)成分分析、顯微組織分析、力學(xué)性能測試等，對螺栓的斷裂原因進(jìn)行了分析，以避免同類事件重復(fù)發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 斷口宏觀觀察

螺栓光桿部分整體呈淡黃色，部分區(qū)域泛藍(lán)，螺紋表面存在黑色油跡。斷口或裂紋分布在螺栓的光桿部位和螺紋區(qū)域，統(tǒng)計情況如表1所示。裂紋走向垂直于螺栓軸向，斷口平齊，斷口附近未見明顯的宏觀塑性變形，屬于典型的脆性斷口，見圖2。

表1 螺栓斷口和裂紋分布情況Tab.1 Distribution of fracture surface and cracks of the bolts

圖2 螺栓斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture surface of the bolts:a) No.2 fracture surface; b) No.3 fracture surface; c) No.4 fracture surface; d) No.5 fracture surface; e) No.6 fracture surface; f) No.7 fracture surface

1.2 化學(xué)成分分析

按照GB/T 11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》和GB/T 20123-2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》的要求，對斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。從表2可以看出，斷裂螺栓材料的化學(xué)成分符合GB/T 14992-2005《高溫合金和金屬間化合物高溫材料的分類和牌號》的技術(shù)要求，螺栓材料是以鐵、鎳為主要元素的時效強(qiáng)化型形變高溫合金。

表2 螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Analysis results of chemical compositions of the bolts (mass fraction) %

1.3 顯微組織分析

在3號和5號斷裂螺栓斷口附近切取橫向試樣，經(jīng)鑲嵌、預(yù)磨、拋光并侵蝕后在Zeiss Axiovert 200MAT型金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，如圖3和圖4所示?？梢妰筛菟ǖ娘@微組織均為奧氏體+彌散強(qiáng)化相，晶界有明顯粗化現(xiàn)象，裂紋以沿晶形式由表面垂直向內(nèi)擴(kuò)展。

圖3 3號螺栓的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of No.3 bolt:a) coarsening of grain boundary; b) intergranular cracks

將5號螺栓橫截面金相試樣置于ZEISS場發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)晶界兩側(cè)金屬已經(jīng)被侵蝕形成一條條溝壑，在溝壑中間存在一層薄膜狀物質(zhì)，沿晶界呈連續(xù)分布，能譜分析顯示其為富鉻相，見圖5和圖6。

圖5 5號螺栓晶界的掃描電鏡形貌Fig.5 Morphology of grain boundary observed under scanning electron microscope

1.4 力學(xué)性能測試

圖6 5號螺栓晶界能譜Fig.6 Energy spectrum of grain boundary of No.5 bolt:a) analysis position; b) energy spectrum

從1號螺栓上取樣進(jìn)行硬度試驗和室溫拉伸試驗，從4號和7號螺栓上取樣進(jìn)行硬度試驗和高溫持久強(qiáng)度試驗，高溫持久強(qiáng)度試驗的溫度為650 ℃，應(yīng)力為350 MPa，試驗結(jié)果見表3。結(jié)果顯示：3根螺栓的硬度均滿足廠家技術(shù)要求；材料的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也滿足YB/T 5245-1993《普通承力件用高溫合金熱軋和鍛制棒材》的要求，但斷后伸長率和斷面收縮率明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求； 4號和7號螺栓的高溫持久斷裂時間分別為1.1 h和3.0 h，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 螺栓力學(xué)性能試驗結(jié)果Tab.3 Mechanical property test results of the bolts

1.5 斷口微觀分析

將2～7號螺栓斷口、室溫拉伸試樣斷口和高溫持久強(qiáng)度試樣斷口分別置于VEGA TS 5136XM型掃描電鏡下進(jìn)行微觀形貌分析，如圖7所示?？梢?，2～7號螺栓斷口和高溫持久強(qiáng)度試樣斷口的主體區(qū)域均為沿晶脆性斷口，而室溫拉伸試樣斷口為沿晶韌性斷口[1]。

圖7 螺栓斷口微觀形貌Fig.7 Micro morphology of fracture surface of the bolts:a) No.2 fracture surface; b) No.3 fracture surface; c) No.4 fracture surface; d) No.5 fracture surface; e) No.6 fracture surface; f) No.7 fracture surface; g) fracture surface of the indoor-temperature tensile sample; h) fracture surface of the high-temperature endurance strength sample

2 分析與討論

GH2036合金是以碳化物強(qiáng)化的鐵基高溫合金[2-3]，其中含有：7%～9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鎳、錳穩(wěn)定奧氏體基體；13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鉻提高抗氧化能力；少量的鉬、鈦、鈮強(qiáng)化固溶體；釩和鈮形成碳化物起強(qiáng)化作用。GH2036合金可在600～650 ℃下用作渦輪盤、緊固件和承力環(huán)，也可用于柴油機(jī)、汽輪機(jī)的增壓渦輪葉片和其他高溫部件[4]。

從斷裂螺栓的斷口宏觀形貌和服役時間可以看出，螺栓屬于早期脆性斷裂失效。由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，螺栓失效與材料的化學(xué)成分無關(guān)。室溫拉伸試驗結(jié)果顯示，螺栓材料的斷后伸長率和斷面收縮率明顯低于YB/T 5245-1993的要求，說明材料偏脆性。高溫持久強(qiáng)度試驗結(jié)果顯示，螺栓材料的高溫持久時間僅為1.1 h和3.0 h，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不小于100 h的要求。通過對失效斷口、室溫拉伸試樣斷口和高溫持久斷口的微觀形貌對比可知，失效斷口微觀形貌與高溫持久斷口相似，與室溫拉伸試樣斷口有較大差別，前者為沿晶脆性斷口，后者為沿晶韌性斷口，說明這些螺栓是在高溫持久力作用下發(fā)生斷裂失效的。

在GH2036合金的晶界上會析出M23C6碳化物，其中的M主要以鉻元素為主[5]。金相檢驗中發(fā)現(xiàn)的晶界粗化現(xiàn)象正是由于晶界上的M23C6被金相試劑侵蝕掉了，從而形成的粗晶界現(xiàn)象，這種情況類似于不銹鋼晶間腐蝕。M23C6在晶界和晶內(nèi)沉淀對合金性能有著顯著的影響，晶界M23C6起到阻礙晶界滑移作用，可提高持久強(qiáng)度。但M23C6的強(qiáng)化作用還與其析出形態(tài)有關(guān)：若以分散質(zhì)點分布在晶界和晶內(nèi)時，合金的高溫持久強(qiáng)度和塑性較好；若以片狀形式析出，有脆化作用，會降低材料的高溫持久性能[5]。金相檢驗發(fā)現(xiàn)，在GH2036合金晶界上連續(xù)析出了薄片狀碳化物膜，其原因在于熱處理時效操作不當(dāng)，使螺栓在時效時晶界析出了薄片狀脆性相，弱化了晶界，造成螺栓在高溫和應(yīng)力作用下產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

3 結(jié)論及建議

該GH2036合金螺栓的失效模式為沿晶脆性斷裂，失效原因為螺栓熱處理時效工序操作不當(dāng)，導(dǎo)致晶界析出了薄片狀脆性相，弱化了晶界，降低了材料韌性，造成螺栓在高溫和應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生了沿晶脆性斷裂。建議優(yōu)化GH2036合金螺栓的熱處理工藝，使碳化物以點狀在晶內(nèi)和晶界析出，避免碳化物以脆性相呈片狀析出。

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[4] 高溫合金金相圖譜編寫組.高溫合金金相圖譜[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1979:67.

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AnalysisonFractureReasonsofBoltsontheExhaustPipeofLLSDieselEngineinaNuclearPowerPlant

ZHAOXingbao1,ZHANGZhongwei2,LIUXianliang2

(1. Fujian Fuqing Nuclear Power Co., Ltd., Fuqing 350318, China; 2. Suzhou Nuclear Power Research Institute Co., Ltd., Suzhou 215004, China)

Joint bolts which connected the exhaust pipe and the cylinder on the LLS diesel engine generator set fractured in a nuclear power plant unit. By means of macroscopic and microscopic analysis, chemical composition analysis, microstructure analysis, mechanical property test and so on, the fracture reasons of bolts were analyzed. The results show that: the failure mode of the GH2036 alloy bolts was intergranular brittle fracture; the failure reasons were that the heat treatment process of the bolts was improper, resulting in the precipitation of lamellar brittle phase along the grain boundary; the phase weakened the grain boundary, which induced that the intergranular brittle fracture occurred to the bolts under the action of high temperature and stress.

bolt; GH2036 alloy; heat treatment; intergranular brittle fracture

10.11973/lhjy-wl201711010

TG115.2

B

1001-4012(2017)11-0808-04

2016-12-12

趙興保(1982-),男,工程師,主要從事電力裝備失效分析與腐蝕防護(hù)技術(shù)的研究,zhaoxb@fqnp.com