某核電廠循泵聯軸器螺母開裂失效原因分析

胡明磊 徐 科 楊琪震 胡 斌 胡則棟

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

本次失效部件為循環水泵中間軸聯軸器上兩顆鉸孔螺栓的螺母，該區域部件運行介質為開式工業水，溫度為常溫，壓力為0.1MPa。聯軸器左右兩側部件是由12對M24的螺母和鉸孔螺栓連接，螺母設計材質為1Cr17Ni2。該批聯軸器螺母使用時間不足一年即發生斷裂，循泵吸水室墻壁內出現異音，解體檢修后發現其中一個螺母斷裂成5片碎塊，另一個螺母表面存在6條肉眼可見的裂紋。

1 理化試驗

1.1 宏觀觀察

圖1為兩顆失效螺母的宏觀形貌圖。左側為失效螺母1，已碎成5塊，局部區域有材料損失并有明顯的沖蝕痕跡；右側為失效螺母2，保持完整的螺母結構，其表面出現裂紋。從圖1中可以觀察到失效螺母1中5塊螺母試樣（1-1～1-5）上均有銹跡，斷口較平齊，表面局部區域銹蝕，其中1-3螺母試樣有一個長度約5mm的未貫穿裂紋，裂紋區域打開后斷口已腐蝕。失效螺母2雖保持完整的螺母結構，但其底面有6條肉眼可見的裂紋，并沿螺母軸向方向向上方面擴展，形成2條貫穿裂紋和4條未貫穿裂紋。打開其中一條貫穿裂紋后，其斷口平齊，局部區域已腐蝕。

圖1 兩顆失效螺母宏觀形貌

1.2 化學成分分析

依據GB/T 11170-2008 《不銹鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法（常規法）》檢測失效螺母的C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni等7種元素，測試結果和要求值如表1所示。可以看出，失效螺母1和失效螺母2的化學成分均滿足GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》對1Cr17Ni2的成分要求，化學成分測試結果合格。

表1 螺母化學成分測試結果（wt%）

1.3 硬度測試

依據GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對失效螺母進行維氏硬度檢測，測試結果如表2所示。同時，GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》未規定淬火回火后1Cr17Ni2試樣的硬度，但要求其抗拉強度不低于1080MPa。由表2可知，失效螺母1的硬度為367HV，換算為抗拉強度后約1170MPa，失效螺母2的硬度為370HV，換算為抗拉強度后約1180MPa，兩顆螺母轉化后的抗拉強度均滿足GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》對1Cr17Ni2的強度要求。

表2 螺母硬度測試結果

1.4 非金屬夾雜物

依據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定－標準評級圖顯微檢驗法》，在失效螺栓上取樣、鑲嵌、打磨、拋光后在顯微鏡下評判其非金屬夾雜物等級，如圖2和表3所示。失效螺母1的非金屬夾雜物等級為B2.0、D0.5，失效螺母2的非金屬夾雜物等級為B1.5、D0.5、DS0.5。B類夾雜物的方向與螺母軸向方向一致。GB/T 1220-2007對1Cr17Ni2的非金屬夾雜等級未做具體要求，但從結果上看失效螺母局部位置的B類夾雜物較多。

圖2 失效螺母非金屬夾雜物測試結果

表3 失效螺栓非金屬夾雜物測試結果

1.5 顯微組織

依據GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》，在失效螺栓上取樣、鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕后在顯微鏡下觀察其顯微組織，結果如圖3所示。失效螺母1和失效螺母2的顯微組織為回火索氏體、長條狀的鐵素體和顆粒狀碳化物組成，長條狀鐵素體方向與螺母軸向方向一致[1]。

圖3 失效螺母顯微組織

1.6 微觀觀察

各選取失效螺母1和失效螺母2的一塊試樣進行斷口微觀形貌觀察，結果如圖4所示。圖4（a）、圖4（b）和圖4（c）是失效螺母1的斷口形貌，圖4（a）和圖4（b）是原始斷口區，整體呈沿晶開裂形貌，部分區域表面覆蓋腐蝕產物，晶粒沿螺母縱向呈條帶狀分布；4（c）是人為拉斷區，整體呈韌窩形貌，韌窩內部有析出顆粒，總體沿螺母縱向呈條帶狀特征。4（d）是失效螺母2的斷口形貌，以沿晶形貌為主，晶粒沿螺母縱向呈條帶狀分布，局部有沿晶二次裂紋。兩顆失效螺母的微觀形貌特征基本一致，啟裂區覆蓋了腐蝕產物，擴展區和終斷區呈沿晶形貌，人為拉斷區呈韌窩形貌。

圖4 失效螺母微觀形貌

1.7 能譜測試

選取失效螺母1的其中一塊試樣斷面進行能譜測試，結果如表4所示。能譜檢測出了一定量的S元素，來源為在螺母服役時由外部環境引入。同時發現譜圖2、譜圖4、譜圖5的Cr元素高于1Cr17Ni2的平均Cr元素含量，說明形成了富Cr的析出相。

表4 失效螺母1試樣能譜測試

選取失效螺母2的其中一塊試樣斷面進行能譜測試，結果如表5所示。譜圖6、譜圖8、譜圖9的Cr元素高于1Cr17Ni2的平均Cr元素含量，也說明形成了富Cr的析出相。

表5 失效螺母2試樣能譜測試

2 失效原因分析

核電廠的一臺海水循環水泵在日常運行時出現異音，解體后發現其聯軸器的兩顆螺母斷裂失效。螺母設計材質為1Cr17Ni2（搭配0Cr17Ni4Cu4Nb的螺栓），是馬氏體不銹鋼中強度與韌性搭配較好的一種鋼種，具有較高的強度和硬度。兩顆失效螺母的化學成分均滿足GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》對1Cr17Ni2的成分要求，硬度換算為強度后也滿足標準中的強度要求，非金屬夾雜中B類夾雜物較多，顯微組織為回火索氏體、長條狀的鐵素體和顆粒狀碳化物組成。微觀形貌上啟裂區覆蓋了腐蝕產物，擴展區和終斷區呈沿晶特征，能譜結果中發現斷口含一定量的S元素，為螺母服役時由外部環境引入，局部位置的Cr元素高于1Cr17Ni2的Cr元素含量，說明形成了富Cr的析出相。

通過調查發現標準中螺母毛坯采用鍛件，加工后進行950～1050℃油淬+275～350℃空冷并進行無損檢測，但螺母實際的熱處理工藝為1020℃油淬+580℃空冷，與設計要求不符。螺母組織存在缺陷，材料綜合性能下降，螺母設計材料為1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼，在400～580℃區間存在回火脆[2-3]，沿晶界析出碳化物和較多的鐵素體降低了材料的塑性和沖擊韌度，增加了材料沿晶開裂的風險。能譜結果發現螺母顯微組織中存在富Cr碳化物析出，同時螺母組織中的其他區域會形成貧Cr區，貧Cr區會降低的螺母的耐腐蝕性能[4]。螺母斷口表面含一定量的S元素，為螺母服役時由外部環境引入，該循泵聯軸器螺母服役環境為開式工業水環境，該環境對水質中的S離子要求不嚴，而S離子是促進材料應力腐蝕開裂的有害元素之一，1Cr17Ni2不銹鋼的應力腐蝕恰好對這兩種元素尤其敏感，故螺母在服役過程中受S離子和靜應力作用發生應力腐蝕開裂，微觀形貌呈沿晶開裂特征。

3 結語

綜上所述分析，循泵聯軸器螺母因熱處理工藝控制不當，導致螺母材料組織存在缺陷，降低了材料的塑性和沖擊韌度；螺母在應力腐蝕開裂敏感環境中服役，受S離子和應力作用發生應力腐蝕開裂失效。