某核電廠定位彈簧銷釘失效原因分析

胡苧尹 駱 抗 喬 澤 王儀美

（1. 中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223；2. 中核凱利深圳核能服務(wù)股份有限公司，湖北 武漢 430223；3. 福建福清核電有限公司，福建 福清 350818）

0 引言

核電廠循環(huán)水系統(tǒng)的功能是通過兩條獨(dú)立的進(jìn)水渠向每臺機(jī)組的冷凝器和輔助冷卻水系統(tǒng)提供冷卻水（海水）。二次濾網(wǎng)是布置在循環(huán)水系統(tǒng)中，用于除去凝汽器循環(huán)水側(cè)涵道中的海生物以及渣屑， 減少雜質(zhì)對凝汽器內(nèi)鈦管的損壞，避免大功率波動產(chǎn)生安全風(fēng)險，是保證凝汽器和汽輪機(jī)組安全運(yùn)行的重要設(shè)備[1,2]。銷釘是機(jī)械中常見的緊固件之一，其作用是防止兩個零件的相對位置錯動，在實際工程中很多承載構(gòu)件都制成螺栓或銷釘連接構(gòu)件的形式[3,4]。在實際運(yùn)行過程中，部件與銷釘定位接頭之間采用螺紋裝配配合焊接等連接方式，易于產(chǎn)生應(yīng)力集中而失效，或受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，在交變載荷重復(fù)作用下由于疲勞而產(chǎn)生材料和結(jié)構(gòu)的破壞[5,6]。

某核電廠大修期間發(fā)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)二次濾網(wǎng)減速器與主軸組件之間的4組定位彈簧齒形圓柱銷釘中存在裂紋，其服役環(huán)境為室內(nèi)干燥大氣，濕度低，非加熱空間，不發(fā)生冷凝，大氣中腐蝕性污染物水平低，無特殊腐蝕性物質(zhì)如SO2等，環(huán)境導(dǎo)致腐蝕的風(fēng)險低，服役時間大約為11個月。經(jīng)反饋，運(yùn)行期間二次濾網(wǎng)減速機(jī)可能滲漏海水，從而導(dǎo)致彈簧銷釘腐蝕。本文結(jié)合宏觀檢查、成分分析、金相分析、硬度測試、SEM和EDS等技術(shù)手段對彈簧銷釘產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了建議措施。

1 試驗

1.1 宏觀形貌

失效定位彈簧銷釘原始形貌如圖1所示，從左到右分別標(biāo)記為1#～4#銷釘，其中1#及2#存在裂紋。利用體視顯微鏡對1#～4#彈簧銷釘頂部（內(nèi)銷彈出側(cè)）及底部照片逐個觀察，發(fā)現(xiàn)實際有3個存在開裂，其裂紋所在部位如圖2所示， 1#、2#銷釘外銷由端部開裂，沿縱向未貫穿，沿截面貫穿；2#、3#銷釘內(nèi)銷開裂，其中2#由中部開裂，沿截面貫穿、沿縱向未貫穿；3#由端部開裂，沿截面完全貫穿、縱向貫穿約2個齒距；4#銷釘未開裂。由圖2彈簧銷釘端部照片可知，內(nèi)外銷釘開槽的安裝角度均小于90°。將彈簧銷釘沿截面切開，1#～4#銷釘觀察截面如圖3所示，可以看出，1#彈簧銷釘外銷及內(nèi)銷安裝角度約為76°，2#彈簧銷釘外銷及內(nèi)銷安裝角度約為22°，3#彈簧銷釘外銷及內(nèi)銷安裝角度約為39°，4#彈簧銷釘外銷及內(nèi)銷安裝角度約為32°。設(shè)計要求彈簧銷釘開口安裝配合角度為90°～180°，因此4組彈簧銷釘外銷和內(nèi)銷的配合角度均不滿足圖紙設(shè)計要求，可能會導(dǎo)致應(yīng)力集中。

圖1 失效定位彈簧銷釘宏觀形貌

圖2 彈簧銷釘體視照片（箭頭所指為裂紋位置）

圖3 1～4#彈簧銷釘截面照片

1.2 成分分析

銷釘規(guī)格為Ф16mm，材質(zhì)為調(diào)質(zhì)彈簧用熱軋鋼，牌號51CrV4（1.8159）。依據(jù)GB/T 20123-2006《低合金鋼多元素的測定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》，利用碳硫分析儀對1#及4#彈簧銷釘碳和硫元素進(jìn)行分析，并利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對1#及4#彈簧銷釘其余元素進(jìn)行分析，將檢測結(jié)果與EN 10289《調(diào)質(zhì)彈簧用熱軋鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求的51CrV4成分對比，如表1所示。由表可知，彈簧銷釘成分滿足EN 10289-2002的要求。

表1 1#及4#彈簧銷釘成分分析結(jié)果

1.3 金相分析

依據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》制備試樣，采用4%硝酸酒精作為腐蝕劑，將1#彈簧銷釘經(jīng)切割、鑲嵌、磨拋、腐蝕后在金相顯微鏡下觀察橫截面金相組織，如圖4所示，1#外銷和內(nèi)銷金相組織均為均勻且細(xì)小的回火托氏體組織，金相組織無異常。

圖4 1#彈簧銷釘金相組織照片（500×）

觀察1#外銷開裂位置截面金相組織，結(jié)果如圖5所示，可以看出，在截面方向上，1#外銷由外側(cè)開裂，向內(nèi)側(cè)方向擴(kuò)展約2/3壁厚后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，直至完全貫穿，擴(kuò)展方向上可觀察到二次裂紋。擴(kuò)展開裂位置未發(fā)現(xiàn)脫碳、組織偏析等，裂紋金相組織無 異常。

圖5 1外銷裂紋金相照片（50×）

1.4 硬度檢測分析

采用GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》對1#和4#彈簧銷釘?shù)耐怃N和內(nèi)銷進(jìn)行維氏硬度測試，并依據(jù)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》，對維氏硬度結(jié)果進(jìn)行換算，結(jié)果如表2所示。送檢彈簧銷釘洛氏硬度在46～48之間，硬度值與EN 10289-2002《調(diào)質(zhì)彈簧用熱軋鋼》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值相比無異常。

表2 1#及4#彈簧銷釘硬度結(jié)果

1.5 SEM及EDS分析

利用掃描電鏡觀察銷釘斷口微觀形貌，圖6和圖7為2#彈簧銷釘外銷的斷口微觀形貌照片，其中圖6為斷口整體形貌，可看到斷口整體平齊，無頸縮等宏觀塑性斷裂特征，將斷口分為A～C三個區(qū)域進(jìn)行觀察。如圖7A區(qū)可觀察到局部放射性特征，為裂紋源區(qū)，裂紋源芯部為脆性斷口；B區(qū)為裂紋沿截面方向的擴(kuò)展區(qū)，斷口呈冰脆性斷裂特征；C區(qū)為沿縱向的裂紋擴(kuò)展區(qū)，此區(qū)域表面附著有大量的腐蝕產(chǎn)物。

圖6 2#彈簧銷釘外銷斷口整體微觀形貌

圖7 2#彈簧銷釘外銷斷口分區(qū)微觀形貌

為了確定定位彈簧銷釘斷口腐蝕產(chǎn)物的成分，按照如圖6所選取典型區(qū)域（A、B、C區(qū)）用能譜分析儀對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行 EDS 分析，結(jié)果如表3所示。表3為圖6中A、B、C區(qū)域中元素分析結(jié)果，結(jié)果顯示C區(qū)域腐蝕產(chǎn)物中所含元素主要為O、Fe，A區(qū)存在少量S元素，C區(qū)中存在少量Cl及S元素。Cl和S元素為活性元素，對材料有較強(qiáng)的腐蝕作用。

表3 2#彈簧銷釘外銷A、B、C區(qū)EDS分析結(jié)果

應(yīng)力腐蝕過程是金屬材料、腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力三個因素共同作用，使金屬電化學(xué)腐蝕加劇并產(chǎn)生破裂的過程，包括孕育、擴(kuò)展和潰裂三個階段。Cl應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理為介質(zhì)中Cl的吸附，導(dǎo)致金屬表面應(yīng)變能降低引起開裂。由于二次濾網(wǎng)可能存在海水泄漏，因此彈簧銷釘?shù)姆郗h(huán)境中有Cl等侵蝕性離子的存在。應(yīng)力來源于冷變形、焊接和金屬加工殘余應(yīng)力等，這些應(yīng)力的產(chǎn)生使金屬內(nèi)部組織的穩(wěn)定性得到了破壞，晶粒在應(yīng)力方向的作用下導(dǎo)致位錯移動而形成滑移臺階，這些滑移臺階的構(gòu)成給Cl帶來了吸附和滲透的機(jī)會[7]。另外，Mn促進(jìn)有害元素S、P等向晶界偏析，從而使晶界鍵合力下降，也會導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性升高[8]。

2 結(jié)果與討論

總結(jié)針對失效定位銷釘?shù)母鳒y試分析結(jié)果 如下：

（1）4組彈簧銷釘中有3組發(fā)生開裂，其中1組為外銷和內(nèi)銷同時開裂，1組為外銷開裂，1組為內(nèi)銷開裂；

（2）送檢銷釘?shù)膬?nèi)外銷開槽的角度均小于90°，不滿足設(shè)計要求的90～180°；

（3）送檢的彈簧銷釘成分滿足EN 10289《調(diào)質(zhì)彈簧用熱軋鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織、夾雜物、脫碳層及硬度結(jié)果無異常；

（4）裂紋區(qū)金相結(jié)果顯示銷釘由外側(cè)開裂，在截面沿內(nèi)側(cè)擴(kuò)展；擴(kuò)展開裂位置未發(fā)現(xiàn)脫碳、組織偏析等，裂紋金相組織無異常，未發(fā)現(xiàn)原始微裂紋等缺陷；

（5）斷口分析結(jié)果顯示彈簧銷釘發(fā)生了脆性開裂，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe和O，同時還存在少量S和Cl，這些元素對彈簧銷釘具有腐蝕性。

結(jié)合斷口分析結(jié)果及彈簧銷釘服役環(huán)境判斷，送檢彈簧銷釘是由于應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生的失效，原因如下：

（1）根據(jù)彈簧銷釘結(jié)構(gòu)判斷，安裝后的銷釘外表面承受拉應(yīng)力（如圖8所示），局部承受的應(yīng)力可能大于其屈服強(qiáng)度；

圖8 彈簧銷釘安裝前后受力示意圖（未考慮局部受力狀態(tài)）

（2）彈簧銷釘外表面被腐蝕，斷口腐蝕產(chǎn)物中檢測出S、Cl腐蝕性元素，表明銷釘處于腐蝕性環(huán) 境中；

（3）高強(qiáng)度銷釘在拉應(yīng)力狀態(tài)和腐蝕性環(huán)境共同作用下，發(fā)生脆性斷裂為主的應(yīng)力腐蝕開裂。

綜上所述，彈簧銷釘在較大的拉應(yīng)力狀態(tài)下與腐蝕性介質(zhì)接觸，由外側(cè)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂最終｜失效。

3 結(jié)論與建議

發(fā)生失效的彈簧銷釘成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織、硬度等分析結(jié)果無異常；其斷裂性質(zhì)為服役時的拉應(yīng)力狀態(tài)并與腐蝕介質(zhì)接觸導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂。后續(xù)建議措施如下：

（1）檢查處于相同服役環(huán)境的銷釘，及時清理漏到銷釘安裝部位的殘留侵蝕介質(zhì)，避免材料處于腐蝕性環(huán)境，并對發(fā)現(xiàn)問題的銷釘進(jìn)行更換；

（2）安裝時應(yīng)依據(jù)其設(shè)計要求，內(nèi)銷和外銷安裝角度應(yīng)控制在90～180°范圍內(nèi)。