1 000 MW核電機組汽輪機聯軸器螺柱表面損傷原因分析

李如源

(福建寧德核電有限公司， 寧德 315200)

1 000 MW核電機組汽輪機聯軸器螺柱表面損傷原因分析

李如源

(福建寧德核電有限公司， 寧德 315200)

某1 000 MW核電機組檢修期間發現，汽輪機聯軸器螺柱表面出現不同程度的損傷。采用宏觀和微觀形貌觀察、力學性能測試、金相檢驗、掃描電鏡觀察、化學成分和能譜分析，對螺柱表面損傷的原因進行了分析。結果表明：螺柱表面損傷的類型屬于點腐蝕損傷；引起點腐蝕損傷的原因為螺柱服役環境中存在腐蝕性元素，尤其是活性陰離子氯。

核電機組；聯軸器螺柱；表面損傷；點腐蝕

聯軸器螺柱作為汽輪機的主要部件之一，用來連接汽輪發電機組的各個轉子，并傳遞扭矩、軸向力和轉子膨脹位移等。機組的安全運行與聯軸器螺柱的安全可靠密切相關，以往發生的聯軸器螺柱斷裂事故直接危及機組的安全運行。根據聯軸器螺柱以往的斷裂事故可見，其常見的失效模式為疲勞斷裂和過載斷裂，腐蝕失效的案例較為少見[1-4]。

某核電機組在運行7 000 h后停機檢修，發現汽輪機中壓轉子-低壓轉子、低壓轉子-低壓轉子、低壓轉子-發電機轉子三級聯軸器共48組螺柱表面出現不同程度的損傷痕跡，經分析確診為腐蝕損傷。每組螺柱包括雙頭螺柱(以下簡稱螺柱)、螺母、開口錐形套筒和襯套等零部件[5]，螺柱材料為34CrNi3Mo鋼，規格為M80 mm×6 mm×560 mm，運行時螺柱溫度為40～60 ℃，螺柱在安裝前外表面涂了一層N5000型潤滑劑。筆者以該螺柱為例，對其表面的腐蝕損傷特征及原因進行分析，以期為聯軸器螺柱的金屬監督檢驗工作提供有益的參考。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌觀察

該螺柱的宏觀形貌及損傷表面形貌如圖1～3所示。可見，螺柱表面沿軸向存在一個明顯的條帶狀損傷區域，損傷痕跡呈灰黑色，為連片密集分布的小凹坑和灰黑色物質，軸向分布在整個螺柱表面，在螺柱環向最大寬度部位約61 mm，螺柱兩端面的其他區域存在局部輕度損傷痕跡。

圖1 螺柱表面的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the stud surface:(a) the damage side; (b) the opposite side

圖2 螺桿表面損傷形貌Fig.2 Damage morphology of the screw surface:(a) at low magnification; (b) at high magnification

1.2 力學性能測試

在螺柱上沿縱向制取1個拉伸試樣、3個U型缺口沖擊試樣、1個硬度試樣進行力學性能測試，室溫下的試驗結果見表1。由結果可見：螺柱室溫下的規定塑性延伸強度、抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收能量均符合JB/T 6396-2006[6]對34CrNi3Mo鋼的要求，布氏硬度略高于標準要求的上限。

1.3 金相檢驗

按照GB/T 13299-1991[7]的要求，將金相試樣在OLYMPUS GX71型光學顯微鏡下進行金相檢驗，形貌見圖4～5。可以看出：明顯損傷部位表面存在多個凹坑，凹坑內充滿灰黑色物質；緊鄰凹坑的基體組織為回火索氏體，組織狀態正常。

表1 螺柱的室溫力學性能試驗結果

圖4 螺桿處的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the screw:(a) at low magnification; (b) at high magnification

圖5 螺紋處的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the thread:(a) at low magnification; (b) at high magnification

1.4 掃描電鏡觀察

在Quanta 400 HV型掃描電鏡下對螺柱表面進行觀察，形貌見圖6～7。可以看出：明顯損傷的螺桿和螺紋表面存在大量密集分布、大小不一的小凹坑，凹坑內充滿物質；輕度損傷的螺桿表面與明顯損傷的表面形貌一致，也存在大量密集分布的小凹坑，凹坑內充滿物質。

圖6 螺柱損傷表面的微觀形貌Fig.6 Micro morphology of the damage surface of the stud:(a) at low magnification; (b) at high magnification

圖7 螺紋損傷表面的微觀形貌Fig.7 Micro morphology of the damage surface of the thread:(a) at low magnification; (b) at high magnification

1.5 化學成分分析

1.5.1 基體成分

在螺柱上制取金屬碎屑進行化學成分分析，結果如表2所示。由結果可見，螺柱試樣的化學成分符合JB/T 6396-2006對34CrNi3Mo鋼的技術要求。

1.5.2 損傷部位微區成分

使用INCA-sight型能譜儀在掃描電鏡下對螺柱損傷部位進行能譜分析，結果見圖8和表3。由結果可見：損傷部位凹坑內物質主要元素為鐵、氧，還存在少量氯、硫、鈉等腐蝕性元素。

表2 螺柱的化學成分析結果(質量分數)

1.5.3 潤滑劑成分

在螺柱表面刮取潤滑劑和備用潤滑劑樣品進行化學成分分析，結果見表4。由結果可見：螺柱表面潤滑劑中含有少量硫、氯、鈉等腐蝕性元素，備用潤滑劑樣品中僅有微量硫元素，未檢測到氯、鈉元素。

2 分析與討論

由理化檢驗結果可知，損傷螺柱的化學成分、規定塑性延伸強度、抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收能量均符合標準的要求，硬度略高于標準要求，螺柱的顯微組織為回火索氏體，組織狀態正常，材質無明顯異常。

圖8 螺桿損傷部位的能譜分析位置Fig.8 Analysis positions of energy spectrum for the damage part of the stud: (a) screw surface; (b) metallographic section

表3 螺桿損傷部位的能譜分析結果(質量分數)%

表4 潤滑劑的化學成分分析結果(質量分數)

螺柱的表面損傷特征如下：沿軸向呈條帶狀分布，最大寬度約61 mm，損傷痕跡呈灰黑色，存在連續密集分布的小凹坑和灰黑色物質；經分析該物質為腐蝕產物，含有少量氯、硫、鈉等腐蝕性元素；緊鄰凹坑的基體組織未見異常，可知螺柱表面損傷的類型屬于點腐蝕損傷。

螺柱表面潤滑劑中含有少量氯、硫、鈉等腐蝕性元素，表明螺柱表面含有這些腐蝕性元素。這些腐蝕性元素(尤其是活性陰離子氯)被吸附在螺柱表面上，破壞了氧化膜，形成微電池，膜破壞處成為陽極，而未破壞處成為陰極。由于陽極面積比陰極面積小得多，陽極電流密度大，螺柱表面很快被腐蝕成大量密集的、充滿腐蝕產物的小凹坑[8]。

在材料化學元素和含量一定的情況下，其硬度略高或略低與是否發生點腐蝕損傷沒有明顯關聯，可知腐蝕損傷與螺柱的材質無關。備用潤滑劑樣品中僅含有微量硫元素而不含氯、鈉元素，可知起主要點腐蝕作用的氯元素并非來源于潤滑劑，應來自螺柱的服役環境中。

螺柱僅在一側沿軸向存在條帶狀明顯損傷區域，原因可能是螺柱表面活性陰離子在停機期間逐漸沉積到螺柱底部，或運行期間由于離心力作用聚集到螺栓外圓側，或僅將潤滑劑刷涂到出現明顯損傷的條帶狀區域所致。

3 結論

該螺柱表面損傷的類型屬于點腐蝕損傷，引起點腐蝕損傷的原因為螺柱服役環境中存在腐蝕性元素，尤其是活性陰離子氯。

[1] 蒲澤林,劉宗德,楊昆,等.汽輪機聯軸器螺栓剪切疲勞試驗研究[J].機械強度,2002,24(4):588-590.

[2] 梁軍,方安千,王晨寶.215 MW汽輪機對輪螺栓斷裂的失效及受力分析[J].華北電力技術,2005(8):14-16,20.

[3] 陳瑗元,陸慧.35CrMo鋼螺栓斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(8):616-617.

[4] 韋俏斌,陳賢水,荀志國.硬度差在核電站反應堆壓力容器主螺栓驗收時的特殊應用[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(8):616-617.

[5] 劉強.汽輪機聯軸器液壓螺栓在秦山二核的應用[J].中國核電,2008,1(4):309-313.

[6] JB/T 6396-2006 大型合金結構鋼鍛件技術條件[S].

[7] GB/T 13299-1991 鋼的顯微組織評定方法[S].

[8] 劉昌奎,李運菊,陶春虎,等.緊固螺栓開裂原因分析[J].機械工程材料,2008,32(4):70-73.

Cause Analysis on Surface Damage of Coupling Studs of the Steam turbine in a 1 000 MW Nuclear Power Unit

LI Ruyuan

(Fujian Ningde Nuclear Power Company, Ningde 315200, China)

During the period of maintenance of a 1 000 MW nuclear power unit, damage with different degree appeared on the surface of coupling studs of the steam turbine. The causes of the surface damage of the studs were analyzed by methods of macro and micro morphology observation, mechanical property testing, metallographic examination, scanning electron microscope observation, chemical composition and energy spectrum analysis. The results show that: the type of the surface damage of the studs was the pitting corrosion damage; the cause of pitting corrosion damage for studs was that corrosive elements existed in the service environment of the studs, especially the reactive anionic Cl-.

nuclear power unit; coupling stud; surface damage; pitting corrosion

質量控制與失效分析

10.11973/lhjy-wl201705016

2016-05-10

李如源(1976-)，男，高級工程師，主要從事核電設備技術管理工作，liruyuan@cgnpc.com.cn

TL48; TG142.23

B

1001-4012(2017)05-0371-04