核電項(xiàng)目緊固件預(yù)防失效的經(jīng)驗(yàn)與探討

陶新磊

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

2015年，國家核安全局發(fā)文通報(bào)了浙江高強(qiáng)度緊固件造假事件，供貨緊固件涉及國內(nèi)多臺(tái)核電機(jī)組，國內(nèi)所有核電廠開展了大規(guī)模的緊固件排查和整改工作，對(duì)核電機(jī)組的建造或運(yùn)行造成了不同程度影響。隨后根據(jù)核安全局對(duì)核安全系統(tǒng)和有抗震要求的非核安全系統(tǒng)中的緊固件增加了第三方檢測(cè)的要求，并補(bǔ)充了沖擊試驗(yàn)、脫碳檢查等檢測(cè)要求[1]。但值得注意的是，該造假事件的緣由是制造過程的熱處理設(shè)備陳舊造成工藝不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致抽檢沖擊性能等指標(biāo)不合格。當(dāng)前增加的處理措施，仍然在某些情況下不能很好地控制產(chǎn)品質(zhì)量。

熱處理是緊固件制造過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但是當(dāng)前核電項(xiàng)目在緊固件質(zhì)量管控中，對(duì)該環(huán)節(jié)重視不夠，沒有設(shè)置對(duì)緊固件淬火后的硬度進(jìn)行檢查等環(huán)節(jié)。緊固件的監(jiān)造設(shè)點(diǎn)中幾乎沒有將制造廠的熱處理關(guān)鍵工藝過程作為重點(diǎn)監(jiān)督環(huán)節(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致監(jiān)督不夠全面、缺乏針對(duì)性，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)熱處理工藝的問題。對(duì)核級(jí)緊固件尚能夠做到對(duì)熱處理過程的記錄，而非核級(jí)緊固件則沒有熱處理工藝記錄的要求。結(jié)合緊固件的失效案例，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生斷裂失效的原因主要是應(yīng)力腐蝕、氫脆等；但不合理的熱處理工藝也會(huì)加速緊固件的失效，而緊固件的熱處理工藝還未得到足夠重視[2]。

當(dāng)前增加的檢測(cè)項(xiàng)目并不能發(fā)現(xiàn)一些特殊情形下的熱處理錯(cuò)誤，例如淬火硬度不足、制造廠采用過低回火溫度來勉強(qiáng)達(dá)到硬度要求。此外，發(fā)黑和磷化螺栓的熱處理工藝也沒有得到足夠重視。

1 典型失效案例分析

某項(xiàng)目龍門架螺栓發(fā)生斷裂，螺栓的性能等級(jí)為10.9級(jí)，規(guī)格為M24×80，材質(zhì)為ML20MnTiB。斷口表面及桿部均可見銹蝕產(chǎn)物，斷口位于螺紋區(qū)。對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)斷口平齊，斷面及周圍未見明顯塑性變形，表面被一層銹蝕產(chǎn)物覆蓋。斷裂源區(qū)為沿晶特征，存在大量沿晶二次裂紋，如圖1所示；擴(kuò)展區(qū)為沿晶+韌窩；終斷區(qū)均為韌窩，呈現(xiàn)典型的沿晶脆性斷裂。

圖1 斷裂源區(qū)形貌Fig.1 Microstructure of fracture source region

發(fā)生沿晶斷裂一般有幾種情況，回火脆性、過熱過燒、氫脆、應(yīng)力腐蝕。螺栓回火溫度為425 ℃，符合規(guī)范要求，沖擊韌性檢測(cè)報(bào)告也符合要求，基本可排除回火脆性和過熱過燒。氫含量檢測(cè)結(jié)果表明，斷裂螺栓及未斷裂的三件螺栓H含量為1 ppm左右，表明螺栓的H含量較低。通常認(rèn)為只有當(dāng)氫含量達(dá)到一定程度時(shí)(>5 ppm)，才會(huì)導(dǎo)致螺栓氫脆斷裂，因此可以排除氫脆斷裂的可能。

金相分析表明，螺栓基體組織為回火馬氏體，但部分區(qū)域也存在回火屈氏體。ML20MnTiB螺栓的加工工藝為淬火+中溫回火(425 ℃)，理論上得到的組織應(yīng)是回火屈氏體；但實(shí)際基體主要組織為回火馬氏體，回火馬氏體屬于應(yīng)力腐蝕和氫脆的敏感組織。這是由于熱處理工藝控制不當(dāng)所致，如回火時(shí)間較短或回火時(shí)螺栓堆積未分層、分散放置，使部分螺栓熱處理不均勻、不充分，從而導(dǎo)致淬火形成的馬氏體組織未能充分轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹎象w。

此外，龍門架靠近大海，海洋大氣環(huán)境中含有Cl-，斷口能譜分析中發(fā)現(xiàn)斷口腐蝕產(chǎn)物存在Cl元素聚集的情況，具備應(yīng)力腐蝕的特征。最終分析認(rèn)為，龍門架螺栓斷裂主要原因?yàn)楹Ｑ蟠髿庖l(fā)的應(yīng)力腐蝕，但回火溫度不夠?qū)е碌慕M織應(yīng)力敏感，加速了應(yīng)力腐蝕的進(jìn)程，最終產(chǎn)生斷裂失效。

在實(shí)際工作中，雖然很多緊固件失效的最終原因分析為氫脆、應(yīng)力腐蝕等；但由于緊固件熱處理工藝不合理，得不到符合要求的組織，從而導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕和氫脆的敏感性增加。不同組織應(yīng)力腐蝕和氫脆敏感性的強(qiáng)弱為馬氏體>屈氏體>索氏體，在滿足技術(shù)規(guī)范硬度要求的前提下，應(yīng)采取正確的回火工藝，得到低應(yīng)力敏感性和氫脆敏感性的組織。

螺栓表面處理工藝為磷化處理，緊固件安裝后，進(jìn)行整體表面涂漆防腐。在螺栓、螺母及兩者與安裝面間隙使用膩?zhàn)訉舆M(jìn)行封閉，螺栓孔內(nèi)未考慮封閉措施。間隙處膩?zhàn)訉雍陀推崾Ш?，腐蝕性的Cl-和水汽容易侵入螺栓孔內(nèi)，導(dǎo)致磷化層腐蝕破壞，螺栓失效斷裂。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11376—1997《金屬的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜》磷化膜的適用環(huán)境描述為“在干燥環(huán)境(無凝露)中長期防護(hù)，在有遮蓋條件的戶外臨時(shí)防護(hù)”[3]。磷化膜一旦暴露在海洋大氣環(huán)境中，極易發(fā)生腐蝕失效。解決該問題可以考慮改進(jìn)密封措施隔絕海洋大氣環(huán)境或提高螺栓耐腐蝕性。采用耐老化的粘彈性螺紋密封膠對(duì)螺栓孔進(jìn)行密封，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可參考JB/T7311—2016 《工程機(jī)械 厭氧膠、硅橡膠及預(yù)涂干膜涂層》[4]。采用粉末滲鋅、達(dá)克羅處理、氟碳涂層等措施，可以提高螺栓本體的抗腐蝕性，在達(dá)到保護(hù)效果的同時(shí)還能避免產(chǎn)生氫脆，在海上油田等項(xiàng)目上已有很多成功的應(yīng)用案例[5]。另外，可以考慮采用達(dá)克羅處理、粉末滲鋅等耐腐性更好的處理措施，提高螺栓耐腐蝕性。

2 再回火檢測(cè)的必要性

雖然應(yīng)力腐蝕、氫脆等是引發(fā)螺栓失效的主要原因，但熱處理工藝不當(dāng)會(huì)造成應(yīng)力腐蝕、氫脆的敏感性增加，也是導(dǎo)致螺栓失效的重要原因，這一點(diǎn)往往容易忽視。正確的回火能夠得到恰當(dāng)?shù)慕M織，保證緊固件的機(jī)械性能，是緊固件熱處理工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。核電項(xiàng)目相關(guān)建造規(guī)范GB/T 3098.1《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》、ASME《美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)》和RCC-M《法國壓水堆機(jī)械設(shè)備制造與設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了緊固件材料的最低回火溫度要求。但普通緊固件標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對(duì)8.8級(jí)以下緊固件沒有最低回火溫度的要求、GB1231《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》也沒有給出緊固件的最低回火溫度，相關(guān)工藝只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇。

淬火硬度不足，往往容易被忽視[6]，一些企業(yè)往往使用過低的回火溫度來勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)定范圍硬度的錯(cuò)誤熱處理工藝。然而緊固件回火溫度低，會(huì)引起緊固件其他性能的改變，例如沖擊性能、硬度等。在航天、汽車行業(yè)的緊固件使用中，已出現(xiàn)過突然斷裂的現(xiàn)象，這與淬火硬度不足，采用較低回火溫度造成鋼中殘余奧氏體含量較多有關(guān)[7]。尤其是在柴油機(jī)上發(fā)生過42CrMo螺栓斷裂事件，對(duì)核電項(xiàng)目類似設(shè)備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)具有很高的參考價(jià)值[8]。殘余奧氏體在常溫下是非穩(wěn)定狀態(tài)，在服役過程中在振動(dòng)等應(yīng)力作用下會(huì)造成組織轉(zhuǎn)變引發(fā)螺紋失效或斷裂，且由于表現(xiàn)為延遲斷裂，容易忽視，危害性較大。較多的殘余奧氏體偏聚甚至能夠直接導(dǎo)致螺栓性能的大幅降低。雖然在核電項(xiàng)目尚未發(fā)生關(guān)于此類失效事件的報(bào)道，但要做好防范。

例如在某核電項(xiàng)目上水泵泵蓋螺栓發(fā)生斷裂，該螺栓淬火后的回火溫度為530 ℃，分析原因認(rèn)為回火溫度在回火脆性敏感區(qū)，導(dǎo)致性能難以滿足要求。但該螺栓在入廠檢測(cè)時(shí)，沖擊吸收功滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，僅以回火溫度在高溫脆性敏感區(qū)內(nèi)判斷失效原因?yàn)楦邷鼗鼗鸫嘈允遣磺‘?dāng)?shù)?。事?shí)上高溫回火脆性不僅與溫度范圍有關(guān)，也與冷卻速率有關(guān)，在合適冷卻速率下較快通過高溫回火脆性區(qū)間是能夠避免高溫回火脆性的，該螺栓的沖擊吸收功能夠滿足要求也說明了這一點(diǎn)。淬火溫度低而導(dǎo)致的殘余奧氏體較多，能夠恰當(dāng)?shù)慕忉屧擃悢嗔熏F(xiàn)象，殘余奧氏體的存在增加了材料的斷裂韌性，所以在成品的沖擊檢驗(yàn)中能夠滿足要求；但隨著服役時(shí)間的延長，在振動(dòng)應(yīng)力等作用下殘余奧氏體轉(zhuǎn)變，材料脆性增加導(dǎo)致螺栓發(fā)生脆斷。從現(xiàn)象上判斷，該斷裂是由于淬火溫度低導(dǎo)致的殘余奧氏體含量超標(biāo)而引起的。

為提高緊固件質(zhì)量，后續(xù)根據(jù)核安全局195號(hào)增加了對(duì)安全相關(guān)緊固件的入場(chǎng)抽樣檢查項(xiàng)目包括沖擊試驗(yàn)、脫碳試驗(yàn)等項(xiàng)目。但對(duì)緊固件熱處理過程仍需加強(qiáng)控制，尤其對(duì)于淬火硬度不足而采用降低回火溫度的錯(cuò)誤熱處理工藝。

增加再回火試驗(yàn)可以有效檢查這種錯(cuò)誤的熱處理工藝。再回火即對(duì)8.8～12.9級(jí)的螺栓、螺釘和螺柱，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的最低回火溫度低10 ℃保溫30 min，在同一試樣上并在與第一次測(cè)定相同的區(qū)域，試驗(yàn)前后三點(diǎn)硬度平均值之差不得超過20 HV。這與再回火過程中促進(jìn)了非穩(wěn)態(tài)的殘余奧氏體的轉(zhuǎn)化有關(guān)，而如果原淬火、回火工藝正確，殘余奧氏體較少，在低于原回火溫度下再次回火，組織和硬度不會(huì)發(fā)生較大變化。

在緊固件失效的斷裂案例中，對(duì)斷裂試樣進(jìn)行金相分析時(shí)，經(jīng)常能夠發(fā)現(xiàn)保留馬氏體位相的屈氏體、保留馬氏體位相的索氏體組織。雖然通常認(rèn)為其為正常的馬氏體回火組織，并不作為缺陷組織考慮，但這往往提示在材料強(qiáng)度仍有較大的余量的前提下，可以進(jìn)一步提高回火溫度，提高材料斷裂韌性，降低斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

緊固件的回火溫度、回火時(shí)間可以通過《熱處理手冊(cè)》[9]進(jìn)行查詢，可以為質(zhì)量管理人員在審核工藝時(shí)作為輔助判斷。增加淬火硬度檢測(cè)也可以很好地避免出現(xiàn)淬火硬度不足而采用過低回火溫度的錯(cuò)誤熱處理工藝[10]。這一點(diǎn)在核電行業(yè)的緊固件質(zhì)量控制上尚未得到應(yīng)用，但在汽車行業(yè)的緊固件質(zhì)量中已經(jīng)得到良好的應(yīng)用，值得推廣[11]。

3 磷化和發(fā)黑后的熱處理

發(fā)黑、磷化、鍍層是緊固件常用的表面處理方法，在核電項(xiàng)目的高強(qiáng)度緊固件中廣泛采用發(fā)黑或磷化的處理方式，例如管道法蘭緊固件、常規(guī)島鋼結(jié)構(gòu)廠房連接螺栓使用發(fā)黑處理，室外龍門架螺栓采用磷化處理等。但在實(shí)際工作中經(jīng)常發(fā)生失效案例，除了應(yīng)力腐蝕外，氫脆也是導(dǎo)致螺栓失效的重要原因。

高強(qiáng)度緊固件為避免氫脆應(yīng)謹(jǐn)慎采用電鍍、熱浸鍍鋅等工藝，這一點(diǎn)在緊固件使用中已經(jīng)得到重視和預(yù)防[12]。發(fā)黑處理、磷化工藝也需要考慮對(duì)氫脆的預(yù)防，在工作中卻非常容易忽視。例如，某項(xiàng)目常規(guī)島汽輪機(jī)廠房鋼結(jié)構(gòu)螺栓斷裂，其斷裂呈明顯的氫脆斷口特征，最終分析氫來源為表面處理工藝和環(huán)境介質(zhì)。實(shí)際上，在熱處理、氣體滲碳、清洗、酸洗、磷化、電鍍過程以及在工作環(huán)境中采取的陰極防護(hù)措施等都可能產(chǎn)生氫。在生產(chǎn)過程中，如滾壓成形、機(jī)械加工和需要冷卻液或潤滑劑但又中斷的鉆孔以及在焊接或釬焊過程中，也會(huì)產(chǎn)生氫。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15519—2002《化學(xué)轉(zhuǎn)化膜鋼鐵黑色氧化膜規(guī)范和試驗(yàn)方法》[13]規(guī)定：“可能需要對(duì)某些鋼種進(jìn)行熱處理以減少因氫脆或堿脆而產(chǎn)生裂縫的危險(xiǎn)性，抗拉強(qiáng)度Rm≥1000 MPa的高強(qiáng)度鋼可能發(fā)生堿脆，導(dǎo)致黑色氧化過程中在內(nèi)部或外部應(yīng)力作用下的自發(fā)開裂”。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11376—1997《金屬的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜》規(guī)定：“如果需方要求消除氫脆，則應(yīng)按附錄F的規(guī)定進(jìn)行必要的熱處理”；“抗拉強(qiáng)度在1000 N/mm2以上的鋼制件應(yīng)在磷化、水洗、干燥后立即進(jìn)行熱處理”。因此10.9級(jí)及以上緊固件在進(jìn)行發(fā)黑、磷化工藝時(shí)應(yīng)進(jìn)行熱處理。但由于GB/T 11376《金屬的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜》中屬于需要使用方確認(rèn)的推薦要求，而緊固件的使用方、設(shè)計(jì)方按GB 3098.1等標(biāo)準(zhǔn)要求往往僅關(guān)注緊固件的機(jī)械性能、化學(xué)成分等參數(shù)，認(rèn)為發(fā)黑、磷化處理不會(huì)引入氫脆，容易忽視該項(xiàng)要求。在當(dāng)前的發(fā)黑和磷化工藝通常都忽視了磷化后進(jìn)行驅(qū)氫熱處理的需求，而緊固件的制造方從成本考慮對(duì)該可選擇性的要求并不會(huì)主動(dòng)增加，這一點(diǎn)在高強(qiáng)度緊固件的質(zhì)量管理中應(yīng)當(dāng)加以重視。因?yàn)椴缓侠淼牧谆に囈矔?huì)導(dǎo)致緊固件產(chǎn)生氫脆[14]。

為避免螺栓制造過程中引入氫脆可采用GB3098.17《緊固件機(jī)械性能 檢查氫脆用預(yù)載荷試驗(yàn) 平行支承面法》的預(yù)載荷試驗(yàn)法進(jìn)行檢測(cè)：預(yù)載荷試驗(yàn)應(yīng)在適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)夾具上進(jìn)行，緊固件承受的應(yīng)力應(yīng)在其屈服點(diǎn)以內(nèi)，或者處在破壞扭矩的范圍內(nèi)，扭矩可通過匹配螺母(或螺栓)施加，也可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)攻有螺紋的鋼板施加?？杀ＷC相應(yīng)緊固件所需應(yīng)力處于其屈服點(diǎn)內(nèi)，或破壞扭矩范圍內(nèi)的其他加載方法和夾具也允許采用，該應(yīng)力或扭矩應(yīng)至少保持48 h以上，每隔24 h應(yīng)將緊固件擰松到初始應(yīng)力或扭矩，同時(shí)檢查緊固件是否因氫脆已發(fā)生破壞[15]。但該項(xiàng)檢查并未在當(dāng)前核電項(xiàng)目中得到應(yīng)用。這會(huì)導(dǎo)致當(dāng)螺栓發(fā)生氫脆斷裂時(shí)，無法分辨氫來源于螺栓制造工藝還是來源于外部環(huán)境，導(dǎo)致分析檢測(cè)結(jié)果在實(shí)際指導(dǎo)意義上的瑕疵。

4 結(jié)論

當(dāng)前對(duì)緊固件的質(zhì)量監(jiān)控主要集中在產(chǎn)品的機(jī)械性能上，加強(qiáng)核電項(xiàng)目緊固件熱處理過程控制很有必要。尤其是當(dāng)前的檢驗(yàn)項(xiàng)目無法發(fā)現(xiàn)因淬火硬度不足，而采用過低的回火溫度來勉強(qiáng)達(dá)到緊固件硬度要求的錯(cuò)誤熱處理工藝。為避免這種錯(cuò)誤，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)熱處理過程的質(zhì)量監(jiān)督，如記錄緊固件熱處理工藝，增加淬火后的硬度檢驗(yàn)或在最終檢驗(yàn)時(shí)增加再回火檢測(cè)。

雖然核電項(xiàng)目緊固件的失效大多歸結(jié)為氫脆斷裂、應(yīng)力腐蝕等原因，但不合適的熱處理形成不合適的金相組織，提高材料氫脆和應(yīng)力腐蝕的敏感性也是造成斷裂的重要原因，不容忽視。在相關(guān)斷裂案例中，馬氏體位相的屈氏體、馬氏體位相的索氏體，雖然屬于正常的馬氏體回火組織，但在構(gòu)件仍有較大強(qiáng)度余量的前提下，提高回火溫度，消除馬氏體位相，可以進(jìn)一步提高材料的斷裂韌性，降低斷裂風(fēng)險(xiǎn)。磷化的耐蝕作用有限，鑒于核電項(xiàng)目大多鄰海，在室外條件或與室外大氣聯(lián)通的室內(nèi)條件下應(yīng)當(dāng)采用防護(hù)效果更好的措施，例如達(dá)克羅處理、粉末滲鋅等處理措施或采取可靠的密封措施。

通常認(rèn)為電鍍工藝會(huì)引起高強(qiáng)度緊固件的氫脆，而忽略發(fā)黑和磷化處理工藝也會(huì)引起高強(qiáng)度緊固件的氫脆。對(duì)強(qiáng)度超過10.9的緊固件進(jìn)行發(fā)黑處理或磷化處理后，也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的熱處理以避免氫脆的發(fā)生。可以采用GB 3098.17《緊固件機(jī)械性能 檢查氫脆用預(yù)載荷試驗(yàn) 平行支承面法》、GB/T 26107—2010《金屬與其他無機(jī)覆蓋層 鍍覆和未鍍覆金屬的外螺紋和螺桿的殘余氫脆試驗(yàn) 斜楔法》進(jìn)行緊固件氫脆的檢查，以避免不合適的制造工藝引入氫脆[16]。