某型應急柴油機燃油過濾器螺釘失效分析

閔濟東，賴斌生，王飛龍，余澤輝，雷 龍

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

某核電廠應急柴油機低功率試驗期間，出現燃油過濾器上游噴油缺陷，現場緊急停機，隔離后對現場灑落的燃油進行清潔，更換被燃油噴灑到的保溫棉。

經解體檢查發現缺陷原因為燃油過濾器蓋板螺釘斷裂，導致柴油斷裂的螺釘處及蓋板四周漏出，最終從防塵蓋四周漏出。經拆解同行電廠的螺釘進行更換后，再鑒定試驗合格。

1 螺釘失效原因檢測

1.1 失效螺釘簡述

單臺應急柴油機共有4 個螺釘，根據出廠的質量證明文件，該螺釘材料為36CrB4，性能等級為10.9 級。

1.2 宏觀檢查

經檢查斷裂螺釘宏觀形貌，螺釘表面呈黑色，斷口位于頭部以下第一螺紋處，屬于螺釘常見失效位置（圖1）。螺釘頭側斷口內凹，并與頭部內螺紋孔連通，螺紋側斷口凸起。兩半斷口均呈亮金屬色，斷口上未見腐蝕特征，屬于新鮮斷口。將兩半斷口合并在一起，之間存在小縫隙，但兩側金屬較為完整。仔細觀察合并在一起的斷口，啟裂區可以較好地合并在一起，更多表現出脆性開裂特征。縫隙主要是因終斷階段存在少量宏觀變形引起。

1.3 尺寸測量

用線切割沿螺釘中線縱剖取樣，在第一螺牙附近區域進行尺寸測量，結果見表1。

1.4 化學成分分析

按10.9 級緊固件標準要求，失效螺釘滿足GB/T 3098.1—2010 中10.9 級碳鋼制緊固件化學成分要求。但按原材料制造標準要求，螺釘不滿足EN 10263-4—2001《冷鐓和冷擠壓的鋼桿材、棒材和線材 第4部分淬火和回火鋼的交貨技術條件》標準要求，其中C 元素和Cr 元素含量偏差明顯。

1.5 金相檢驗

圖1 斷口實圖

表1 尺寸測量結果

截取橫向和縱向金相試樣，檢驗螺釘牙型和顯微組織，檢驗結果顯示螺釘牙底呈圓弧形，成形良好，未見明顯牙底缺陷，也未見有表層脫碳。螺釘顯微組織為回火索氏體，組織正常。螺紋區表層組織可見塑性加工流線特征，屬于滾制螺紋。

1.6 硬度測試

在螺釘螺紋距離端部1D 處截取橫截面試樣進行布氏硬度測試，測試用試驗力為187.5 kgf，試驗力保持時間為10 s。測試螺釘布氏硬度均滿足10.9 級緊固件硬度要求。根據GB/T 33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》標準，將硬度換算成對應的抗拉強度Rm可知，測試螺釘的抗拉強度同樣滿足10.9 級緊固件的抗拉強度要求（表2）。

表2 螺釘硬度測試

1.7 微觀斷口分析

將螺釘頭部側斷口經超聲波清洗后，放入掃描電鏡（SEM）進行微觀斷口分析。裂紋啟裂于下半部螺紋牙底，區域內存在多條短的放射狀棱線，在啟裂區邊緣明顯可見寬約0.20 mm 的沿晶斷口區，晶面上可見細小的雞爪紋特征，為氫脆斷口典型形貌特征。這種沿晶特征均清晰可見，其寬度在0.110.16 mm。啟裂區過后，裂紋以疲勞方式繼續向前擴展，在2 區和3 區均可見疲勞弧線和疲勞二次裂紋。裂紋最終在7 區和8 區斷裂，在7 區內可見細小的剪切韌窩。

1.8 表面能譜分析

經超聲波清洗后放入掃描電鏡下進行表面能譜分析，結果顯示各螺釘表面均進行了磷化處理，螺釘表面磷化膜形貌類似，磷化晶粒呈針狀和大的塊狀，使用鋅系磷化液。

2 失效原因結論

微觀斷口分析結果顯示，螺釘首先發生了氫脆啟裂，裂紋繼而在交變載荷作用下疲勞擴展直至最終斷裂。從柴油機運行條件分析，該交變載荷應該來源于柴油機機振。

通常而言，引起氫脆的氫來源主要有3 種：原材料在冶煉過程中引入氫、表面處理過程中引入氫、在服役條件下因腐蝕引入氫。微觀斷口分析顯示，在螺釘斷口周圈和內螺孔表面均發現了深度在0.110.16 mm 的氫脆層。這表明氫是由外向內滲入，可以排除原材料中含有較多氫進而引起氫脆的可能性。宏觀檢查結果顯示，螺釘及其斷口均未見明顯腐蝕，不存在因腐蝕引入氫的可能。可見，引起氫脆的氫應來自螺釘表面處理過程，可能是在螺釘磷化處理前的酸洗工序或在磷化過程中引入了氫，而在這些工序完成后未及時進行除氫處理。GB/T 11376—1997《金屬的磷酸鹽轉化膜》指出，對于深度冷加工鋼件或抗拉強度在1000 MPa 以上的鋼制件應在磷化、水洗、干燥后立即進行除氫處理。

化學成分分析結果顯示，螺釘材料中各元素含量不能同時滿足材料牌號和性能等級對螺釘成分的要求，同36CrB4 材料的標準成分偏離較大，特別是C 元素含量明顯高于36CrB4 材料標準要求。據研究，高強度鋼對C 元素含量較為敏感，C 含量越高，氫脆敏感性越大。通常，C 元素含量控制在材料標準C 元素含量要求的中下區間為好。

硬度測試結果顯示，螺釘布氏硬度均滿足10.9 級緊固件硬度要求。根據GB/T 33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》標準，將硬度換算成對應的抗拉強度Rm可知，除B1 螺釘抗拉強度低于標準要求外，其余各測試螺釘的抗拉強度同樣滿足10.9級緊固件的抗拉強度要求。

該螺釘的失效原因是由于在制造階段未進行除氫處理，導致螺釘首先發生了氫脆啟裂，裂紋繼而在交變載荷作用下疲勞擴展直至最終斷裂。而C 元素含量偏高，導致氫脆敏感性增大，促成了該螺釘的斷裂。

3 處理方案

事件發生后，柴油機原制造商提供了改進后的螺釘備件A，在其質量證明文件中查到，性能等級也是10.9 級，與舊螺釘相同，根據硬度測試數據換算抗拉強度，確認抗拉強度指標滿足10.9 級緊固件要求。新螺釘材料A 牌號為42CrB4。截止目前尚未查到42CrB4 牌號的具體出處，但從牌號表示方法上類推，新螺釘材料的化學成分應與42Cr 合金鋼接近，含B，C，含量應在0.42%附近，而實測C 元素含量在0.21%0.23%，遠低于材料牌號要求值。據研究成果，低C 含量對抵抗氫脆開裂應該更有利，新螺釘A 的抗氫脆敏感性是降低的。但另一方面，宏微觀檢查結果顯示，新螺釘A 表面磷化層很薄，抗腐蝕能力不足，遇水易生銹，這又反過來增加了因腐蝕問題引入氫進而引發氫脆開裂的風險。綜合評定，制造商提供的新螺釘備件A 不能滿足使用要求，需要繼續改進。

電廠重新從同行電站拆借了螺釘備件，更換后滿足長期運行需要。

4 總結

（1）通過對柴油機燃油經過濾器螺釘的失效分析，研究螺釘外觀、化學參數、微觀檢查等方式，明確了螺釘失效原因。螺釘首先發生了氫脆啟裂，裂紋繼而在交變載荷作用下疲勞擴展直至最終斷裂。從柴油機運行條件分析，該交變載荷應該來源于柴油機機振。

（2）原設備螺釘的失效原因是由于在制造階段未進行除氫處理，導致螺釘首先發生了氫脆啟裂，裂紋繼而在交變載荷作用下疲勞擴展直至最終斷裂。C 元素含量偏高導致了氫脆敏感性增大，促成了該螺釘的斷裂。

（3）制造商新提供的螺釘不能滿足運行需要，表面磷化層偏薄，抗腐蝕能力不足，遇水易生銹。