核電廠循環水泵盤根壓蓋螺栓斷裂原因

苗學良, 張福海, 王 欣, 張明暉

[核電運行研究(上海)有限公司, 上海 200126]

循環水泵作為核電機組循環水系統的重要設備，其主要作用是將過濾后的冷卻水輸送到冷凝器，使汽輪機的排汽在凝汽器中不斷凝結，帶走機組余熱[1]。核電廠循環水泵泵軸的動密封為盤根密封，配合飲用水(SEP)系統的軸封水工作。循環水泵盤根密封結構如圖1所示，可見密封結構由填料箱、盤根、壓蓋、壓蓋蓋板和壓蓋螺栓等組成，當旋緊螺母時壓蓋壓縮盤根，使其緊貼循環水泵泵軸表面和填料箱，堵塞了海水向外泄漏的通道，從而起到密封作用。

圖1 循環水泵盤根密封結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of packing seal structure ofcirculating water pump

盤根壓蓋螺栓材料為0417Ni12Mo2(316)奧氏體不銹鋼，力學性能等級為GB/T 3098.6-2014《緊固件機械性能 不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》要求的A4-70級雙頭螺栓，規格為M20 mm。壓蓋螺栓共計4根，其中1根螺栓沿填料箱螺孔邊緣斷裂，孔內螺栓無法取出，螺栓一般在飲用水工況下服役5 a(年)更換一次，該斷裂螺栓實際使用不滿1 a，其他3根螺栓未發生斷裂情況。為明確斷裂原因，筆者分別從宏觀及微觀、化學成分及力學性能等方面對螺栓的斷裂原因進行了分析與討論，以期避免類似斷裂事故再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

對盤根壓蓋的斷裂螺栓和備用螺栓進行宏觀分析，其中備用螺栓是與斷裂螺栓同型號、同批次的備用件。盤根壓蓋斷裂螺栓的整體形貌如圖2a)所示，未見明顯腐蝕痕跡，螺牙完整；光桿兩側的螺紋末端有多個明顯的加工刀痕，斷裂位置為第一個受力螺牙。備用螺栓整體形貌如圖2b)所示，與斷裂螺栓一樣，光桿兩側的螺紋末端有明顯的加工刀痕。斷裂螺栓斷口宏觀形貌如圖2c)所示，可見主斷口整體平直無宏觀塑性變形，邊緣有多個次源斷口，為多源啟裂。主斷口呈明顯貝殼紋特征，貝紋線的內側中心點方向為裂紋源區，裂紋源均起始于加工刀痕處，如圖2d)所示。

圖2 斷裂螺栓和備用螺栓宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fractured bolt and spare bolt:a) overall morphology of fractured bolt; b) overall morphology of spare bolt; c) morphology of fracture of fractured bolt;d) morphology of tool marks and crack initiation zone of fractured bolt

1.2 化學成分分析

在斷裂螺栓的斷口附近取樣，同時在備用螺栓的同一位置取樣，按照GB/T 20123-2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外線吸收法(常規法)》和GB/T 20125-2006《低合金鋼 多元素含量的測定 電感耦合等離子體原子發射光譜法》的技術要求利用電感耦合等離子體發射光譜儀和碳硫分析儀進行化學成分分析，結果如表1所示。可見斷裂螺栓和備用螺栓的化學成分基本相同，其中硫元素含量超過GB/T 3098.6-2014對A4-70級奧氏體不銹鋼螺栓要求的上限，其他元素含量均在標準范圍內。

表1 螺栓的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of bolt (mass fraction) %

1.3 硬度測試

在斷裂螺栓和備用螺栓的橫截面分別取樣，根據GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》的技術要求,采用HBS-3000型數顯布氏硬度計對其進行布氏硬度測試，測試時試驗力為1.839 kN，試驗力保持時間為10 s，結果如表2所示。GB/T 3098.6-2014對A4-70級不銹鋼螺栓的硬度未做規定,結果顯示斷裂螺栓和備用螺栓的硬度沒有明顯差異,平均硬度分別為335 HBW和338 HBW。

表2 硬度測試結果Tab.2 Hardness test results HBW

1.4 金相檢驗

對斷裂螺栓和備用螺栓分別制備橫截面和縱截面金相試樣并對其進行觀察，顯微組織形貌如圖3所示。由圖3a)和圖3c)可知斷裂螺栓和備用螺栓橫截面顯微組織均為奧氏體，大量晶粒呈形變孿晶結構，圖3b)和圖3d)縱截面試樣的顯微組織中均可見少量沿加工變形方向分布的條帶狀鐵素體。斷裂螺栓和備用螺栓的非金屬夾雜物形貌如圖4所示，可見夾雜物均為A類硫化物，夾雜物等級分別為A2和A2.5，非金屬夾雜物含量水平較高。斷裂螺栓和備用螺栓的牙底形貌如圖5所示，可見螺栓牙底均呈圓弧狀，無尖角、缺口和裂紋等缺陷[2]。根據條帶狀組織的流線分布可知，螺紋由切削加工而成。

圖3 斷裂螺栓和備用螺栓的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of fractured bolt and spare bolt：a) cross section specimen of fractured bolt; b) longitudinal section specimen of fractured bolt;c) cross section specimen of spare bolt; d) longitudinal section specimen of spare bolt

圖4 斷裂螺栓和備用螺栓的非金屬夾雜物形貌Fig.4 Morphology of non-metallic inclusions in a) fractured bolt and b) spare bolt

圖5 斷裂螺栓和備用螺栓的牙底形貌Fig.5 Morphology of tooth bottom of a) fractured bolt and b) spare bolt

1.5 拉伸性能測試

由于試驗對試樣尺寸有要求，因此測試僅對符合尺寸要求的備用螺栓進行拉伸性能測試。根據GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的技術要求,采用Landmark 370.50型500 kN的電液伺服疲勞試驗機對螺栓進行拉伸測試。結果顯示備用螺栓的抗拉強度達到1 145 MPa，滿足GB/T 3098.6-2014對A4-70級奧氏體不銹鋼螺栓的技術要求(不小于700 MPa)，但備用螺栓強度水平較高。

1.6 斷口分析

采用VEGA TS5136XM型掃描電鏡(SEM)對斷裂螺栓的斷口進行觀察，分析時將斷口分為4個區域，如圖6a)所示，4個區域的SEM形貌分別如圖6b)～e)所示。區域1為啟裂區，可見放射臺階，呈腐蝕形貌；區域2為裂紋擴展區，整體呈準解理形貌，可見少量疲勞輝紋，斷口比較光滑且存在貝紋線[3]；區域3為終斷區，位于兩個面的交界處，微觀上可見韌窩形貌；區域4為次源斷口，整體呈準解理形貌，為典型的脆性斷裂形貌特征[4]。

圖6 斷裂螺栓斷口SEM形貌Fig.6 SEM morphology of fracture of fractured bolt：a) overall morphology; b) morphology of zone 1; c) morphology of zone 2; d) morphology of zone 3; e) morphology of zone 4

2 分析與討論

由試驗分析可知，盤根壓蓋斷裂螺栓的斷口宏觀形貌呈貝紋線特征，裂紋源位于螺紋的加工刀痕處，裂紋擴展區有明顯的疲勞輝紋，因此螺栓斷裂模式為疲勞斷裂[5]。

首先，盤根壓蓋螺栓的加工質量不佳，可見明顯的加工刀痕，在加工刀痕處萌生裂紋。螺栓螺紋若采用滾壓工藝，能使金屬流線相對平滑不被切斷，且表面存留的壓應力能顯著提高疲勞壽命。而盤根壓蓋螺栓螺紋由切削加工而成，金屬流線被切斷，疲勞壽命相對降低。同時，光桿部位兩側螺紋處留下多個加工刀痕，為螺栓開裂提供了多個應力集中的疲勞源，產生多個疲勞裂紋源，這也是盤根壓蓋螺栓斷裂為多源啟裂的原因。

其次，在交變載荷作用下，螺栓疲勞裂紋不斷擴展。由循環水泵盤根密封的結構可知，壓蓋螺栓連接壓蓋和填料箱，壓蓋和填料箱之間不直接接觸，則壓蓋螺栓存在一定撓曲，撓曲程度隨著螺栓擰緊程度的降低而升高，螺栓斷裂位置位于填料箱螺孔的邊緣，為撓曲程度最大的區域之一；同時螺栓的斷裂位置為光桿和螺紋區交界的第一個受力螺牙處，此處為整個螺栓應力集中最大處。盤根壓蓋螺栓的斷裂區域是以上兩種情況的重合區域，為疲勞斷裂的敏感區域。螺栓在服役過程中承受交變應力，交變應力主要來源于設備啟動及運行過程中的負荷波動，這使得螺栓在設備運行過程中受到較大交變載荷作用,長時間運行時會導致螺栓疲勞破壞[6]。

由于螺栓強度過高和硫化物夾雜含量過高，也促進了疲勞裂紋的萌生。是因為螺栓強度過高導致疲勞缺口敏感性增大，由于夾雜物變形能力較差，在鋼與夾雜物交界處形成微裂紋，螺栓受力時，微裂紋成為疲勞破壞的啟裂源[7]。奧氏體不銹鋼螺栓的冷加工過程使螺栓材料出現形變強化，材料硬度和抗拉強度升高，組織出現形變孿晶[8-9]。A4-70級不銹鋼螺栓是最小抗拉強度為700 MPa的冷加工奧氏體鋼螺栓，按強度等級相當于碳鋼或合金鋼材料的6.8級螺栓；備用螺栓抗拉強度達到了1 145 MPa，按強度等級相當于碳鋼或合金鋼材料10.9級的高強螺栓，其強度較高。斷裂螺栓的化學成分、顯微組織均與備用螺栓的一致，其強度和硬度較高，表明斷裂螺栓和備件螺栓冷變形強化均較大。螺栓中硫元素含量超過標準的上限，硫化物非金屬夾雜含量過高，硫化物夾雜增加了材料的不連續性，成為微觀上的應力集中點，促進了疲勞裂紋的萌生[10-12]。在以上因素的綜合作用下，最終在應力集中處裂紋擴展到最大，螺栓發生斷裂。

3 結論及建議

盤根壓蓋螺栓發生斷裂的主要原因是螺紋切削加工，產生了加工刀痕，此處產生應力集中并萌生疲勞裂紋源，同時由于材料強度較高和硫化物夾雜含量過高，進一步促進了疲勞裂紋的萌生，在交變載荷作用下疲勞裂紋不斷擴展，最終導致螺栓發生疲勞斷裂。

建議進一步加強螺栓質量控制，對螺栓的化學成分、力學性能、顯微組織和表面缺陷等進行檢查，驗收合格后使用；適當提高螺栓檢查頻率，定期更換循環水泵的盤根壓蓋螺栓等疲勞敏感部件。