核電廠溢流閥螺栓斷裂的原因

胡明磊,張忠偉,劉洪群,張 維

(1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，海鹽 314300；2.蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

國(guó)產(chǎn)某核電機(jī)組在滿功率運(yùn)行期間，汽輪機(jī)2號(hào)主汽門油動(dòng)機(jī)溢流閥2顆固定螺栓(編號(hào)1#和2#螺栓)發(fā)生斷裂，導(dǎo)致連接油管漏油，機(jī)組緊急停堆。斷裂螺栓為全螺紋結(jié)構(gòu)，規(guī)格為M10 mm×37 mm，表面進(jìn)行了發(fā)黑處理，所處環(huán)境為沿海室內(nèi)大氣環(huán)境。斷裂位置分別在螺栓頭向下第1螺牙和第2螺牙處，如圖1所示。本工作為分析斷裂螺栓的失效原因，對(duì)其進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)。

圖1 失效螺栓Fig.1 Failed bolts

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 斷口宏觀形貌

圖2為失效螺栓斷口的宏觀形貌?？梢?，兩個(gè)失效螺栓斷口都較為平齊，未見有明顯的宏觀塑性變形特征。1#和2#螺栓斷口表面附著一層腐蝕產(chǎn)物，其中2#螺栓斷口表面腐蝕產(chǎn)物最為明顯。經(jīng)超聲波清洗后，斷口表面依然殘留了相當(dāng)數(shù)量的腐蝕產(chǎn)物，可見這兩個(gè)斷口的裂紋已經(jīng)存在較長(zhǎng)一段時(shí)間。從斷面的臺(tái)階狀紋理和腐蝕產(chǎn)物分布情況可以推斷出裂紋的總體擴(kuò)展方向?yàn)閺南孪蛏蠑U(kuò)展，在螺牙附近斷裂。以下工作主要以2#螺栓為研究對(duì)象。

(a) 清洗前

1.2 化學(xué)成分

對(duì)失效螺栓的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。結(jié)果表明,失效螺栓中含少量Mo元素，其化學(xué)成分符合GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》標(biāo)準(zhǔn)中12.9級(jí)碳鋼緊固件的要求。

表1 失效螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of failed bolt (mass fraction) %

1.3 硬度

對(duì)失效螺栓進(jìn)行硬度測(cè)試。結(jié)果表明，2#螺栓的硬度平均值為433.6 HV。根據(jù)GB/T 3098.1-2010標(biāo)準(zhǔn)，12.9級(jí)緊固件的硬度范圍為385～435 HV，失效螺栓的硬度處于該范圍內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 裂紋形貌和顯微組織

觀察拋光后失效螺栓縱截面上裂紋的形貌，結(jié)果如圖3所示。在試樣上可以看到多條裂紋，分別位于斷口上和斷口向下第1螺牙牙底、第3螺牙牙底和第4螺牙的內(nèi)側(cè)，裂紋呈樹枝狀或斷續(xù)形貌特征，螺栓的牙底均呈圓滑過(guò)渡，未見鈍角和尖銳等過(guò)渡。

(a) 整體形貌

采用金相顯微鏡觀察失效螺栓橫向和縱向組織，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，失效螺栓的顯微組織為保留了馬氏體位向的回火索氏體，縱向試樣上多條裂紋均為沿晶裂紋。

1.5 斷口微觀形貌

螺栓斷口較為平齊，采用掃描電鏡觀察斷口各微區(qū)的形貌，結(jié)果如圖5所示。其中，啟裂區(qū)(1區(qū))和擴(kuò)展區(qū)(2區(qū))均為沿晶形貌，并伴有沿晶二次裂紋，晶面上附著有腐蝕產(chǎn)物，在部分晶面上可以看到小的圓形洞穴。瞬斷區(qū)(3區(qū)和4區(qū))為韌窩形貌。

2 失效原因分析

斷裂螺栓在外觀上未見明顯的塑性變形，斷口較為平直，屬于典型的脆性斷口。斷面上附著有較多的腐蝕產(chǎn)物，呈深褐色，經(jīng)超聲波清洗后腐蝕產(chǎn)物依然大量殘留，這說(shuō)明螺栓斷裂并非短時(shí)間內(nèi)一下子發(fā)生的，而是螺栓萌生裂紋并經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)展后才發(fā)生瞬斷的。微觀分析顯示，斷口為沿晶斷裂，斷面上有較多的沿晶二次裂紋，而斷口下方存在沿晶的分叉次裂紋，為應(yīng)力腐蝕裂紋(SCC)的典型特征形貌。在斷口啟裂區(qū)和擴(kuò)展區(qū)的部分晶面上可見小的圓形洞穴，此為氫逃逸留下的痕跡，表明在應(yīng)力腐蝕初始階段和裂紋擴(kuò)展過(guò)程中氫起到了重要作用。

(a) 橫截面

失效螺栓的硬度為433.6 HV，換算成抗拉強(qiáng)度為1 438 MPa，為12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓。高強(qiáng)度螺栓屬于缺口零件，具有很高的缺口敏感性，容易在缺口集中部位如桿與頭部的過(guò)渡處或螺紋根部產(chǎn)生延遲斷裂[1]。手動(dòng)安裝過(guò)程中施加的扭矩以及機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的油壓(13.8 MPa)都為螺栓發(fā)生應(yīng)力腐蝕提供了應(yīng)力條件。從斷口表面深褐色的腐蝕產(chǎn)物可知，核電常規(guī)島室內(nèi)環(huán)境中依然有水汽存在，它為應(yīng)力腐蝕的發(fā)生提供了水環(huán)境條件。這里的水應(yīng)該來(lái)自室內(nèi)海洋大氣中的水蒸氣凝結(jié)。螺栓表面一旦發(fā)生腐蝕形成腐蝕坑或微裂紋，新生成的腐蝕產(chǎn)物很快會(huì)把裂縫堵塞，從而阻塞O2等大體積分子進(jìn)入，形成氧濃差極化。缺O(jiān)2的裂尖成為陽(yáng)極，富O2螺栓表面成為陰極，從而使裂尖和螺栓外表面構(gòu)成一個(gè)閉塞電池。在裂尖處不僅O2進(jìn)不來(lái)，F(xiàn)e2+也無(wú)法跑出腐蝕產(chǎn)物層，裂尖溶解(腐蝕)的Fe2+將和H2O發(fā)生水解反應(yīng)，從而使裂尖處H+含量明顯升高，裂尖酸化，pH降低。陽(yáng)極溶解(腐蝕)反應(yīng)的陰極過(guò)程是析氫反應(yīng)生成氫氣，并向螺栓基體擴(kuò)散。高強(qiáng)度鋼在大氣中腐蝕時(shí)能夠吸附足夠的氫以引起脆性斷裂[2]。這種脆性斷裂屬于氫致開裂型應(yīng)力腐蝕，它是氫致滯后導(dǎo)致鋼斷裂的一個(gè)特例[3]，亦稱環(huán)境氫脆[4]。

(a) 整體形貌 (b) 1區(qū)形貌 (c) 2區(qū)形貌 (d) 3區(qū)形貌圖5 失效螺栓斷口的微觀形貌Fig.5 Micro morphology of fracture of failed bolt:(a) overall surface；(b) region 1；(c) region 2；(d) region 3

影響高強(qiáng)鋼發(fā)生氫致應(yīng)力腐蝕的因素很多[1-2]。資料顯示，決定鋼氫致應(yīng)力腐蝕抗力的最主要因素是鋼的屈服強(qiáng)度水平。GB/T 3098.1-2010標(biāo)準(zhǔn)中也提到：當(dāng)考慮使用12.9級(jí)緊固件時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎，緊固件制造者的能力、服役條件和拌擰方法都應(yīng)仔細(xì)考慮，除表面處理外，使用環(huán)境也可能造成緊固件的應(yīng)力腐蝕開裂。螺栓的抗拉強(qiáng)度換算值超過(guò)1 400 MPa，因此發(fā)生氫致應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)很高。

在斷口啟裂區(qū)附近進(jìn)行表面能譜分析，檢測(cè)位置見圖6，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，斷口表面主要為鐵氧化物，并含有少量P元素，P元素應(yīng)來(lái)自螺栓表面沾到的油污。

圖6 能譜分析位置Fig.6 Locations for EDS analysis

表2 斷口能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Results of EDS analysis of fracture (mass fraction) %

3 結(jié)論與建議

斷裂螺栓屬于高強(qiáng)度螺栓，斷口微觀形貌表現(xiàn)為沿晶特征，斷裂性質(zhì)為氫致應(yīng)力腐蝕(或稱環(huán)境氫脆)。建議電廠加強(qiáng)對(duì)12.9級(jí)及以上高強(qiáng)度緊固件的監(jiān)督檢查，建立高強(qiáng)度緊固件清單，并根據(jù)重要性實(shí)施預(yù)防性抽檢；在可選范圍內(nèi)使用強(qiáng)度等級(jí)盡量低的螺栓，以降低發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)。