主給水管道橫向限制件螺栓斷裂研究

焦少陽， 鄭 越， 路曉暉

（中國核電工程有限公司， 北京 100840）

0 引言

某核電機組中的主給水管道橫向限制件頂部支撐板緊固螺栓（在現場裝配過程中，在利用電動力矩扳手擰緊螺母進行安裝時，發生螺栓失效斷裂，螺栓斷裂位置位于橫向限制件通孔內，具體如圖1 所示。

螺栓斷裂位置的形貌如圖2 所示， 可以看出在靠近螺桿連接處的第一個螺牙位置處發生了斷裂， 且斷裂面附近的螺牙已經發生了較為明顯的變形。

由于緊固件承擔了核電廠安全系統和設備中的部件連接和支承固定等功能，其質量與性能對于核電廠安全系統和設備執行核安全功能有著重要影響。開展螺栓失效斷裂原因分析，不僅是加強緊固件質量管控的要求，而且也是工程處理不符合項的需要。 為此，按照下列過程，開展螺栓失效斷裂原因分析：介紹螺栓設計要求（制造及安裝）→介紹螺栓加工制造過程→制定失效分析方案→分析試驗結果→斷裂過程理論分析→結論及建議。

1 螺栓的設計、制造和安裝要求介紹

1.1 螺栓的設計要求

該螺栓為鉸制孔螺栓， 螺栓無螺紋部分與孔壁的基本尺寸相同，屬于過渡配合；當被連接件有相對滑動時，依靠螺栓本身的抗剪作用，防止其運動，因此一般只需要較小的預緊力[1]。而一般普通螺栓的螺桿部分直徑與其孔之間的基本尺寸一般不一樣（一般孔尺寸比螺栓尺寸大0.5mm～1mm），所以不屬于配合。 主要靠螺栓的預緊力防止被連接件的相對滑動和運動；當被連接件間有相對滑動時，預緊力便轉化為摩擦力，防止其運動，因此需要較大的預緊力。 圖3 為未發生失效斷裂的鉸制孔螺栓尺寸及形貌。

圖3 鉸制孔螺栓尺寸及形貌Fig.3 The size and morphology of stranged hole bolt

1.2 螺栓的制造要求

該螺栓由制造單位按照圖紙要求進行加工制造， 主要制造工藝包括采購原材料鋼棒、車削螺紋、磷化等，主要工藝過程如圖4 所示，制造過程的主要技術要求如下：

圖4 成品緊固件制造流程圖Fig.4 The flow-chart of the manufacturing of bolts

（1）首先采購直徑為70mm 的鍛軋鋼棒，鋼棒以熱處理狀態交貨（920℃進行奧氏體化，并油冷；隨后在620℃進行回火），并且需進行入廠復驗，復驗測試項目包括：化學成分、力學性能（室溫拉伸、沖擊、硬度）、低倍組織、非金屬夾雜物檢測，超聲波探傷（UT）。

（2）待復驗結果合格后，進行機加工得到接近產品尺寸的螺栓坯料，然后對螺栓坯料進行液體滲透檢測（PT）。

（3）液體滲透檢測合格后，車制螺紋，車制螺紋完成后，進行磁粉檢測（MT）。

（4）磁粉檢測結果合格后，進行磷化處理，并最終清潔包裝運輸。

1.3 螺栓的安裝要求

該螺栓屬于鉸制孔螺栓，其安裝扭矩參照DIN267 緊固件交貨技術條件系列標準中8.8 級-M36 螺栓的要求給出，具體扭矩值為2450N·m。

螺栓實際安裝過程中，采用固定螺栓，利用電動力矩扳手擰動螺母的方式來緊固。實際安裝時，根據安裝要求，先預擰緊到30%設計扭矩（735N·m），然后再擰緊到60%設計扭矩（1470N·m），最后擰緊到設計扭矩（2450N·m）。

2 螺栓失效分析方案制定

分別從材料性能檢測、 斷口形貌分析和模擬安裝三個環節，設計系列試驗，以分析螺栓的斷裂失效原因。

2.1 材料常規性能檢測

該失效螺栓是按照RCC-M M5140 采購的，為了驗證材料本身是否存在問題， 參照規范要求設計了針對下列常規檢測項目，具體包括：

（1）常規化學成分（檢驗原材料的冶煉質量）。

（2）氫含量檢測（判斷是否為氫脆）。

（3）端口附近區域的非金屬夾雜物分析（檢驗原材料的冶煉質量）。

（4）橫截面酸浸低倍試驗（檢測原材料的冶煉質量）。

（5）金相組織分析（檢驗熱處理是否合格），包括：橫截面、縱截面不同位置（表面或近表面、1/2 半徑、中心）的金相組織。

（6）硬度檢查（檢查力學性能的分布性）：沿徑向按等距離檢測HV 硬度（30 個位置），并換算成HBW。

（7）取小比例試樣進行室溫拉伸試驗（檢查失效螺栓的力學性能）。

2.2 針對失效螺栓的宏觀形貌和斷口微觀形貌分析

首先對失效螺栓的宏觀形貌進行觀察， 然后測量斷口處的直徑，并和未發生斷裂位置的直徑進行比較，以觀察斷裂位置是否發生塑性變形。

對斷口進行SEM（掃描電子顯微鏡），以得到斷口的微觀形貌，從而有助于判斷材料的失效形式；同時亦可以判斷出斷裂表面是否存在原始缺陷，如機加工缺陷、熱處理缺陷等。

2.3 模擬裝配試驗

模擬設計扭矩下的裝配試驗： 該試驗需要8 套連接副，每套連接副需要1 個螺栓，1 個螺母，2 個墊圈；進行該系列試驗，以驗證設計扭矩取值是否合理，也有助于判斷現場安裝過程是否按規定要求執行。

極限緊固扭矩（驗證螺栓斷裂是否為超擰）：該試驗需要2 套連接副； 進行該試驗主要目的是為了測試緊固件擰斷時的扭矩，同時觀察斷口形貌，是否和現場失效螺栓的斷口形貌一致。

3 檢測結果分析

3.1 原材料相關性能檢測

3.1.1 化學成分

采用直讀光譜儀對失效螺栓進行化學成分分析，結果如表1 所示， 材質符合RCC-M M5140 中關于42CrMo鋼的規定。

表1 失效螺栓常規化學成分分析結果（質量分數，Wt%）Tab.1 The chemical composition of the failure bolts（weight percent，Wt%）

另外，在失效螺栓表面及芯部取樣進行氫含量檢測，結果如表2 所示。 可以看出失效螺栓的近表面位置氫含量高于內表面，但是其含量均小于3ppm。

表2 失效螺栓中不同位置的氫含量分析結果Tab.2 The hydrogen content of the failure bolts at different position

對于碳鋼或低合金鋼緊固件， 往往在表面處理過程中的酸洗或電鍍中存在吸氫，氫將由表面進入緊固件，并向內擴散，因此表面含量高于心部。 對于高強度緊固件，一般氫含量超過5ppm，將可能導致氫致應力腐蝕開裂。

3.1.2 小比例試樣的室溫拉伸試驗

從失效斷裂螺栓靠近頭部端， 根據GB/T 228.1-2010表D.1 中的規定截取直徑為5mm 的小比例試樣進行室溫拉伸，試驗結果如表3 所示。 根據表3，可知試驗結果滿足RCC-M M5140 中關于42CrMo 鋼的室溫拉伸要求。

表3 失效緊固件上截取的圓形小比例試樣室溫拉伸結果Tab.3 Tensile test at room temperature of the small ratio specimen cut from the failure bolts

3.1.3 金相組織

圖5、 圖6 所示為失效螺栓斷口附近橫截面和縱截面的金相組織，均為回火索氏體，組織均勻，無異常。

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圖5 失效螺栓斷口附近橫截面（a）近表面，（b）1/2 半徑，（c）中心處Fig.5 The transversal-section metallography of failure bolts（a） near surface，（b） 1/2 radius，（3） center

圖6 失效螺栓斷口附近縱截面（a）近表面，（b）1/2 半徑，（c）中心處Fig.6 The longitudinal-section metallography of failure bolts（a） near surface，（b） 1/2 radius，（3） center

3.1.4 非金屬夾雜物

圖7 所示為失效螺栓斷口附近非金屬夾雜物形態，根據GB/T 10561—2005 規定， 判定為D 類球狀氧化物（細系）1 級，無異常。

圖7 失效螺栓斷口附近非金屬夾雜物形態Fig.7 The non-metallic inclusion of failure bolts

圖8 為斷口附近截取試樣的橫截面酸浸低倍組織，根據GB/T 1979—2001 規定， 判定為一般疏松0.5 級，無異常。

圖8 失效螺栓斷口附近橫截面酸浸低倍組織Fig.8 The transversal macro structures of the acid etch test

3.1.5 硬度檢測結果

在失效螺栓斷口附近橫截面由外到內進行梯度HV硬度試驗， 同時按照GB/T 1172 進行硬度轉換， 并得到HBW 結果，具體如表4 所示。根據RCC-M M5140 規范要求，42CrMo 螺栓的硬度應為HBW248～352， 測試值均在要求之范圍內。

表4 失效螺栓沿徑向梯度檢測結果Tab.4 The hardness test results along radial direction

3.2 螺栓斷裂形貌分析

3.2.1 宏觀形貌及尺寸分析

分別在失效螺栓斷口處以及遠離斷口處沿不同方向測試螺紋直徑，結果如表5 所示。 根據表5，可以看出失效螺栓斷口處的螺紋直徑明顯小于遠離斷口處的螺紋直徑，這表明螺栓在斷裂過程中發生了明顯的“縮頸”現象。

表5 斷裂螺栓螺紋直徑檢測結果Tab.5 The thread diameter measurement results

圖9 為失效螺栓斷口宏觀形貌，可以發現存在下列特征：①斷面粗糙，并存在明顯的銹蝕現象；②尾部斷面上存在明顯的沿逆時針法向的扭轉痕跡，表明螺栓在斷裂過程中受到了明顯的扭轉應力；③斷口表面存在呈錐形“火山口”的形貌，結合表5 中的尺寸，可知該“火山口”形貌是由于螺栓在發生軸向拉伸中，因塑性變成形成的纖維拉伸。

圖9 螺栓斷裂形貌Fig.9 The macro-morphology of failure bolts

3.2.2 斷口形貌的SEM 檢測

對靠近六角頭端的螺栓斷口，先用線切割切下來，然后放入丙酮溶液中利用超聲波清洗干凈， 然后進行SEM觀察，以分析斷口的微觀形貌，具體結果如圖10 所示。

圖10 斷口微觀形貌Fig.10 The SEM micro-morphology of fracture surface

根據圖10，可以看出該斷口包含有均勻分布的等軸韌窩，同時對韌窩進行放大，發現部分韌窩內存在含Mn或氧化鋁的非金屬夾雜物，具體如圖11 和圖12 所示。

圖11 韌窩中存在的氧化鋁夾雜Fig.11 The aluminium oxide inclusion in the dimple

圖12 韌窩中存在的含Mn 夾雜Fig.12 The manganiferous inclusion in the dimple

斷裂韌窩的形成機制如下：材料在變形過程中，會在非金屬夾雜物周圍形成位錯的堆積，并形成位錯環；當應力平衡時， 在切應力作用下位錯環向界面移動并形成微孔，最后微孔擴展并長大，并最后形成韌窩。 因此在斷裂韌窩中，一般會存在尺寸非常小的非金屬夾雜物。

3.3 扭矩驗證試驗

3.3.1 設計扭矩合理性驗證試驗

分別選擇8 套螺栓連接副，每套螺栓連接副包括1個螺栓、1 個螺母和2 個墊片，模擬現場施工過程。擰緊力矩的施加順序， 首先擰緊到規定扭矩的30%（735N·m），并停留1min；然后擰緊到規定扭矩的60%（1470N·m），并停留1min；最后擰緊到規定扭矩（2450N·m）。

8 套螺栓連接副經過試驗驗證， 結果表明當施加到最終扭矩2450N·m 時，螺栓未發生斷裂；當卸掉夾緊力后，配套的螺母均可手動旋下，這表明螺栓未發生變形，否則螺母將不能手動旋下。

3.3.2 極限緊固扭矩試驗

極限緊固扭矩試驗是為了測試極限夾緊力或螺栓斷裂失效時的最大扭矩，在該試驗中，由于產生的夾緊力較大，且螺栓斷裂時會對軸力傳感器產生影響，因此僅測量了螺栓斷裂失效時的施加扭矩。

為了模擬施工過程，首先加載到735N·m（對應設計扭矩的30%），并保持1min；然后再加載到1470N·m（對應設計扭矩的60%），并保持1min；最后一直加載，直至螺紋脫扣或發生斷裂。

分別測試了2 組連接副， 結果表明施加扭矩為3104N·m（1# 試樣）和3075N·m（2# 試樣）時，螺栓發生了斷裂；斷裂形貌如圖13、圖14 所示。 根據圖13 和圖14，可以看出斷裂面和圖4 相似，都具有明顯的“火山口”特征以及尾部端面的沿逆時針方向的扭轉痕跡。

圖13 1# 試樣的極限緊固扭矩試驗后的螺栓斷裂表面Fig.13 The macro-morphology of the fracture surface after ultimate torque test of 1# specimen

圖14 2# 試樣的極限緊固扭矩試驗后的螺栓斷裂表面Fig.14 The macro-morphology of the fracture surface after ultimate torque test of 2# specimen

另外，測量了失效螺栓斷口處以及遠離斷口處沿不同方向的螺紋直徑，結果如表6 所示；可以看出：①斷口處的螺紋直徑均小于遠離斷口處的螺紋直徑，表明均發生了“頸縮”；②極限緊固扭矩試驗中斷口處的螺紋直徑與失效斷裂螺栓斷口處的螺紋直徑接近， 以及極限緊固扭矩試驗中遠離斷口處的螺紋直徑與失效斷裂螺栓遠離斷口處的螺紋直徑測量結果也比極為接近，尤其是2#試樣。

表6 極限緊固扭矩試驗后螺栓不同位置的螺紋尺寸Tab.6 The thread diameter at different position after ultimate torque test

4 原因分析

根據第3.1 的檢測結果， 可知原材料的化學成分、力學性能（屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率）、金相組織、氫含量、非金屬夾雜物、酸浸低倍組織、HBW硬度檢測結果均為合格，這表明緊固件用42CrMo 原材料是合格的。 根據3.2 中斷口SEM 微觀形貌檢測結果，可知斷面呈等軸韌窩形狀， 同時對斷裂螺紋直徑的檢測結果（見表5），可知斷裂過程屬于塑性斷裂。 根據3.3 中扭矩驗證試驗，可知在設計扭矩2450N·m 安裝時，螺栓未存在斷裂甚至變形；而當施加扭矩為3104N·m 和3075N·m 時，即相對設計扭矩超擰約25%，螺栓斷裂失效，宏觀斷面存在明顯的“火山口”特征和斷面“縮頸”現象，和實際斷裂面完全吻合。

經與現場安裝單位實地核實，發現在實際安裝過程中，電動力矩扳手在擰緊過程中，發生“跳顯”故障，導致在安裝過程中發生了過擰，并最終導致螺栓發生了塑性斷裂。

5 結論

本文系統研究了某核電機組主給水管道橫向限制件支撐板緊固螺栓的失效斷裂原因，結果表明原材料合格、設計施加扭矩合理， 由于安裝過程中電動力矩扳手存在“跳顯”故障，導致實際安裝中存在超擰，并導致了螺栓斷裂。

通過該研究， 系統分析了緊固件的斷裂失效模式特征，包括塑性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂和氫脆斷裂，該斷裂失效模式中的塑性斷裂和實際結果相吻合； 從而可為以后類似緊固件的失效斷裂分析提供理論指導。