圖 1 開(kāi)裂螺栓的宏觀形貌
Figure 1. Macrograph of cracked bolt
分享：核電廠海水泵用鍍鋅高強(qiáng)度螺栓的開(kāi)裂原因
緊固件在核電設(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性方面發(fā)揮著重要作用,隨著設(shè)備強(qiáng)度水平提高及輕量化發(fā)展,高強(qiáng)度緊固件的使用量越來(lái)越多。高強(qiáng)度緊固件可以減小設(shè)備的尺寸、減輕其質(zhì)量,降低材料和人工安裝的成本。但腐蝕是高強(qiáng)度緊固件在服役過(guò)程中遇到的主要威脅之一。國(guó)內(nèi)核電廠已發(fā)生多起因高強(qiáng)度緊固件氫致開(kāi)裂引起的事故[1-2],其相關(guān)斷裂機(jī)理的研究也得到了重視[3-4]。為緩解緊固件腐蝕并獲得更長(zhǎng)的使用壽命,通常在高強(qiáng)度緊固件表面覆蓋一層防腐蝕涂層,但在特定環(huán)境中,高強(qiáng)度緊固件還是會(huì)發(fā)生氫致開(kāi)裂。
某核電廠海水泵為大型混凝土蝸殼泵,其主要作用是將海水輸送至核島和常規(guī)島的各種設(shè)備和構(gòu)筑物,并通過(guò)熱交換將電廠產(chǎn)生的熱量最終帶入大海[5]。泵體和混凝土基座通過(guò)22顆雙頭螺栓緊固連接。螺栓規(guī)格為M24×120 mm,材料為42CrMoA,強(qiáng)度等級(jí)為12.9級(jí),按照GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),表面經(jīng)過(guò)了鍍鋅處理。
在核電廠機(jī)組正式運(yùn)行后的第一次預(yù)防性檢修期間,通過(guò)目視檢查發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)雙頭螺栓存在裂紋,裂紋位于光桿以下第一顆螺牙處,已基本橫向貫穿整個(gè)螺桿,安裝后該端螺紋處于混凝土基座內(nèi)。開(kāi)裂螺栓表面鋅鍍層局部已經(jīng)破損,裂紋附近有輕微塑性變形,如圖1所示。為了解螺栓的開(kāi)裂原因,分別選取了1顆開(kāi)裂和1顆未開(kāi)裂的螺栓,對(duì)其斷口形貌、化學(xué)成分、顯微組織和力學(xué)性能等進(jìn)行了分析,探討螺栓開(kāi)裂機(jī)理,并提出相應(yīng)的對(duì)策。
1. 理化檢驗(yàn)與結(jié)果
1.1 螺栓材料性能檢驗(yàn)
對(duì)開(kāi)裂和未開(kāi)裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可見(jiàn),開(kāi)裂和未開(kāi)裂螺栓的材料中,各元素含量基本滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)42CrMoA鋼及12.9級(jí)螺栓的化學(xué)成分要求,其中氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.000 02%和0.000 03%。
表 1 螺栓的化學(xué)成分
Table 1. Chemical composition of bolts
| 試樣及標(biāo)準(zhǔn) | 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | S | Si | Mn | P | Cr | Mo | H | |
| 開(kāi)裂螺栓 | 0.41 | <0.010 | 0.22 | 0.78 | 0.013 | 1.04 | 0.17 | 0.000 02 |
| 未開(kāi)裂螺栓 | 0.41 | <0.010 | 0.22 | 0.76 | 0.013 | 1.01 | 0.18 | 0.000 03 |
| 42CrMoA鋼標(biāo)準(zhǔn) | 0.38~0.45 | ≤0.020 | 0.17~0.37 | 0.50~0.80 | ≤0.020 | 0.90~1.20 | 0.15~0.25 | - |
| 12.9級(jí)螺栓標(biāo)準(zhǔn) | 0.30~0.50 | ≤0.025 | - | - | ≤0.025 | - | - | - |
對(duì)開(kāi)裂和未開(kāi)裂螺栓進(jìn)行硬度測(cè)試。由表2可見(jiàn),開(kāi)裂和未開(kāi)裂螺栓的硬度均在385 HB左右,滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12.9級(jí)螺栓的硬度要求。
表 2 螺栓的硬度
Table 2. Hardness of bolts
| 試樣及標(biāo)準(zhǔn) | 硬度/HB | ||
|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | |
| 開(kāi)裂螺栓 | 388.2 | 385.0 | 382.5 |
| 未開(kāi)裂螺栓 | 385.1 | 379.8 | 388.2 |
| 12.9級(jí)螺栓標(biāo)準(zhǔn) | 380~429 | ||
對(duì)開(kāi)裂和未開(kāi)裂螺栓進(jìn)行顯微組織觀察。由圖2可見(jiàn),開(kāi)裂和未開(kāi)裂螺栓的顯微組織均為正常的回火馬氏體。
圖 2 螺栓的顯微組織
Figure 2. Microstructure of cracked (a) and uncracked (b) bolts
未開(kāi)裂和開(kāi)裂螺栓的成分、硬度和組織均沒(méi)有明顯差別。
從未開(kāi)裂螺栓取樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。由表3可見(jiàn),其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率均滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12.9級(jí)螺栓的要求,其中屈服強(qiáng)度達(dá)到1 200 MPa以上。
表 3 未開(kāi)裂螺栓的拉伸性能
Table 3. Tensile properties of uncracked bolt
| 取樣位置 | 抗拉強(qiáng)度/MPa | 屈服強(qiáng)度/MPa | 斷面收縮率/% | 斷后伸長(zhǎng)率/% |
|---|---|---|---|---|
| 未開(kāi)裂螺栓 | 1 345 | 1 207 | 56 | 11.0 |
| 12.9級(jí)螺栓標(biāo)準(zhǔn) | ≥1 200 | ≥1 100 | ≥44 | ≥8 |
1.2 斷口和裂紋形貌分析
圖3為開(kāi)裂螺栓上裂紋擴(kuò)展的顯微形貌。由圖3可見(jiàn),主裂紋兩側(cè)有少許分叉二次裂紋,二次裂紋尖端崎嶇,均以沿晶方式擴(kuò)展。
圖 3 開(kāi)裂螺栓上裂紋擴(kuò)展形貌
Figure 3. Morphology of crack growth on cracked bolt: (a) at low magnification; (b) at high magnification
開(kāi)裂螺栓的裂紋起裂位置為螺牙牙底,將螺紋牙底裂紋打開(kāi)后,采用掃描電鏡觀察其斷口形貌。由圖4可見(jiàn),斷口整體表現(xiàn)為典型的沿晶開(kāi)裂特征。對(duì)裂紋斷口表面進(jìn)行能譜分析。結(jié)果顯示,裂紋斷面上附著少量氯元素,見(jiàn)圖5。
圖 4 斷口微觀形貌
Figure 4. Micro morphology of fracture: (a) at low magnification; (b) at high magnification
圖 5 斷口表面能譜分析位置和結(jié)果
Figure 5. EDS analysis position (a) and results (b) for fracture surface
2. 失效原因分析
海水泵用高強(qiáng)度螺栓的斷口和裂紋形貌均呈現(xiàn)明顯的沿晶特征,符合高強(qiáng)鋼氫致開(kāi)裂的典型形貌特征。氫致裂紋是在材料內(nèi)部的氫(原本存在或后來(lái)吸收)及應(yīng)力的協(xié)同作用下,材料發(fā)生脆化而形成的。高強(qiáng)鋼的氫脆敏感性高,即使少量的氫也會(huì)引起氫致開(kāi)裂問(wèn)題[6]。高強(qiáng)鋼還具有較高的缺口敏感性,而螺牙正是螺桿圓棒結(jié)構(gòu)中現(xiàn)成的尖銳缺口。螺栓的大部分預(yù)緊力由前幾顆螺牙承受,應(yīng)力集中度高。螺栓第一個(gè)嚙合螺紋處為應(yīng)力最大區(qū)域,螺牙底部形成最大三向應(yīng)力區(qū),使此處材料晶格發(fā)生膨脹并吸引原子氫。越來(lái)越多的氫在該處聚集,使該處萌生裂紋,裂紋沿原奧氏體晶界持續(xù)擴(kuò)展從而形成沿晶裂紋。
存在氫損傷的材料往往表現(xiàn)為延性明顯降低。同批次未開(kāi)裂螺栓的力學(xué)性能結(jié)果正常,表明未開(kāi)裂螺栓的內(nèi)部沒(méi)有氫損傷。同時(shí)兩個(gè)螺栓基體內(nèi)部的氫含量也沒(méi)有明顯異常,因此可以排除螺栓在制造加工階段引入氫的可能性。能譜分析時(shí),在斷口上檢測(cè)出少量的氯元素。這說(shuō)明斷口接觸了海水或海洋潮濕空氣,而且斷口附近鍍鋅層有明顯的破損情況,可見(jiàn)導(dǎo)致螺栓開(kāi)裂的氫是螺栓服役時(shí)外部產(chǎn)生的。
碳鋼、低合金鋼材料的腐蝕過(guò)程以陰極反應(yīng)氧去極化為主,析氫反應(yīng)很微弱,但產(chǎn)生的氫原子已足夠使高強(qiáng)度螺栓產(chǎn)生氫脆,這是高強(qiáng)度螺栓使用時(shí)面臨的一個(gè)難題[7-8]。鋅是螺栓常用的犧牲型表面防腐蝕層,其不僅可以防止螺栓表面與腐蝕介質(zhì)接觸,而且可以屏蔽氫的擴(kuò)散,鍍鋅高強(qiáng)度螺栓在常規(guī)大氣腐蝕環(huán)境中的服役記錄良好[9]。但該涂層在海水中使用時(shí)存在析氫問(wèn)題,表面層的金屬腐蝕電位越負(fù),產(chǎn)生的氫量越多[10-11]。原因是鋅鍍層在海水中的腐蝕電位較負(fù),當(dāng)鋅鍍層破損且接觸海水時(shí),表面鋅鍍層和螺栓基體形成電偶對(duì),發(fā)生電偶腐蝕,因此析氫反應(yīng)加快,生成的原子態(tài)氫吸附于裸露的螺栓基體表面,部分氫不可避免地?cái)U(kuò)散進(jìn)入螺栓基體的晶格中,造成材料脆化,同時(shí)萌生氫致裂紋,如圖6所示。
圖 6 鍍鋅高強(qiáng)度螺栓的腐蝕機(jī)理
Figure 6. Corrosion mechanism of zinc coated high strength bolt
3. 結(jié)論與建議
核電廠海水泵用鍍鋅高強(qiáng)度螺栓的開(kāi)裂性質(zhì)是氫致開(kāi)裂,為環(huán)境促進(jìn)開(kāi)裂(EAC)的作用結(jié)果。鋅鍍層破損的螺栓接觸海水介質(zhì),表面鍍鋅層和螺栓基體形成電偶對(duì),加快了氫的析出過(guò)程,部分原子氫擴(kuò)散進(jìn)入螺栓基體中形成氫致?lián)p傷。在螺栓預(yù)緊力的持續(xù)作用下,螺栓鋅鍍層破損處發(fā)生氫致開(kāi)裂。
建議對(duì)混凝土基座重新注膠密封,確保螺栓不接觸海水,同時(shí)盡量減小螺栓的安裝預(yù)緊力,短期內(nèi)可以避免同類情況再次發(fā)生?；炷廖仛け貌](méi)有必須使用高強(qiáng)度螺栓的規(guī)定,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,可以優(yōu)化改造設(shè)備,選用尺寸更大的非高強(qiáng)度螺栓,以避免高強(qiáng)度螺栓的氫脆問(wèn)題。
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