某型应急柴油机燃油过滤器螺钉失效分析

闵济东，赖斌生，王飞龙，余泽辉，雷 龙

（福建福清核电有限公司，福建福清 350318）

0 引言

某核电厂应急柴油机低功率试验期间，出现燃油过滤器上游喷油缺陷，现场紧急停机，隔离后对现场洒落的燃油进行清洁，更换被燃油喷洒到的保温棉。

经解体检查发现缺陷原因为燃油过滤器盖板螺钉断裂，导致柴油断裂的螺钉处及盖板四周漏出，最终从防尘盖四周漏出。经拆解同行电厂的螺钉进行更换后，再鉴定试验合格。

1 螺钉失效原因检测

1.1 失效螺钉简述

单台应急柴油机共有4 个螺钉，根据出厂的质量证明文件，该螺钉材料为36CrB4，性能等级为10.9 级。

1.2 宏观检查

经检查断裂螺钉宏观形貌，螺钉表面呈黑色，断口位于头部以下第一螺纹处，属于螺钉常见失效位置（图1）。螺钉头侧断口内凹，并与头部内螺纹孔连通，螺纹侧断口凸起。两半断口均呈亮金属色，断口上未见腐蚀特征，属于新鲜断口。将两半断口合并在一起，之间存在小缝隙，但两侧金属较为完整。仔细观察合并在一起的断口，启裂区可以较好地合并在一起，更多表现出脆性开裂特征。缝隙主要是因终断阶段存在少量宏观变形引起。

1.3 尺寸测量

用线切割沿螺钉中线纵剖取样，在第一螺牙附近区域进行尺寸测量，结果见表1。

1.4 化学成分分析

按10.9 级紧固件标准要求，失效螺钉满足GB/T 3098.1—2010 中10.9 级碳钢制紧固件化学成分要求。但按原材料制造标准要求，螺钉不满足EN 10263-4—2001《冷镦和冷挤压的钢杆材、棒材和线材 第4部分淬火和回火钢的交货技术条件》标准要求，其中C 元素和Cr 元素含量偏差明显。

1.5 金相检验

图1 断口实图

表1 尺寸测量结果

截取横向和纵向金相试样，检验螺钉牙型和显微组织，检验结果显示螺钉牙底呈圆弧形，成形良好，未见明显牙底缺陷，也未见有表层脱碳。螺钉显微组织为回火索氏体，组织正常。螺纹区表层组织可见塑性加工流线特征，属于滚制螺纹。

1.6 硬度测试

在螺钉螺纹距离端部1D 处截取横截面试样进行布氏硬度测试，测试用试验力为187.5 kgf，试验力保持时间为10 s。测试螺钉布氏硬度均满足10.9 级紧固件硬度要求。根据GB/T 33362—2016《金属材料 硬度值的换算》标准，将硬度换算成对应的抗拉强度Rm可知，测试螺钉的抗拉强度同样满足10.9 级紧固件的抗拉强度要求（表2）。

表2 螺钉硬度测试

1.7 微观断口分析

将螺钉头部侧断口经超声波清洗后，放入扫描电镜（SEM）进行微观断口分析。裂纹启裂于下半部螺纹牙底，区域内存在多条短的放射状棱线，在启裂区边缘明显可见宽约0.20 mm 的沿晶断口区，晶面上可见细小的鸡爪纹特征，为氢脆断口典型形貌特征。这种沿晶特征均清晰可见，其宽度在0.110.16 mm。启裂区过后，裂纹以疲劳方式继续向前扩展，在2 区和3 区均可见疲劳弧线和疲劳二次裂纹。裂纹最终在7 区和8 区断裂，在7 区内可见细小的剪切韧窝。

1.8 表面能谱分析

经超声波清洗后放入扫描电镜下进行表面能谱分析，结果显示各螺钉表面均进行了磷化处理，螺钉表面磷化膜形貌类似，磷化晶粒呈针状和大的块状，使用锌系磷化液。

2 失效原因结论

微观断口分析结果显示，螺钉首先发生了氢脆启裂，裂纹继而在交变载荷作用下疲劳扩展直至最终断裂。从柴油机运行条件分析，该交变载荷应该来源于柴油机机振。

通常而言，引起氢脆的氢来源主要有3 种：原材料在冶炼过程中引入氢、表面处理过程中引入氢、在服役条件下因腐蚀引入氢。微观断口分析显示，在螺钉断口周圈和内螺孔表面均发现了深度在0.110.16 mm 的氢脆层。这表明氢是由外向内渗入，可以排除原材料中含有较多氢进而引起氢脆的可能性。宏观检查结果显示，螺钉及其断口均未见明显腐蚀，不存在因腐蚀引入氢的可能。可见，引起氢脆的氢应来自螺钉表面处理过程，可能是在螺钉磷化处理前的酸洗工序或在磷化过程中引入了氢，而在这些工序完成后未及时进行除氢处理。GB/T 11376—1997《金属的磷酸盐转化膜》指出，对于深度冷加工钢件或抗拉强度在1000 MPa 以上的钢制件应在磷化、水洗、干燥后立即进行除氢处理。

化学成分分析结果显示，螺钉材料中各元素含量不能同时满足材料牌号和性能等级对螺钉成分的要求，同36CrB4 材料的标准成分偏离较大，特别是C 元素含量明显高于36CrB4 材料标准要求。据研究，高强度钢对C 元素含量较为敏感，C 含量越高，氢脆敏感性越大。通常，C 元素含量控制在材料标准C 元素含量要求的中下区间为好。

硬度测试结果显示，螺钉布氏硬度均满足10.9 级紧固件硬度要求。根据GB/T 33362—2016《金属材料 硬度值的换算》标准，将硬度换算成对应的抗拉强度Rm可知，除B1 螺钉抗拉强度低于标准要求外，其余各测试螺钉的抗拉强度同样满足10.9级紧固件的抗拉强度要求。

该螺钉的失效原因是由于在制造阶段未进行除氢处理，导致螺钉首先发生了氢脆启裂，裂纹继而在交变载荷作用下疲劳扩展直至最终断裂。而C 元素含量偏高，导致氢脆敏感性增大，促成了该螺钉的断裂。

3 处理方案

事件发生后，柴油机原制造商提供了改进后的螺钉备件A，在其质量证明文件中查到，性能等级也是10.9 级，与旧螺钉相同，根据硬度测试数据换算抗拉强度，确认抗拉强度指标满足10.9 级紧固件要求。新螺钉材料A 牌号为42CrB4。截止目前尚未查到42CrB4 牌号的具体出处，但从牌号表示方法上类推，新螺钉材料的化学成分应与42Cr 合金钢接近，含B，C，含量应在0.42%附近，而实测C 元素含量在0.21%0.23%，远低于材料牌号要求值。据研究成果，低C 含量对抵抗氢脆开裂应该更有利，新螺钉A 的抗氢脆敏感性是降低的。但另一方面，宏微观检查结果显示，新螺钉A 表面磷化层很薄，抗腐蚀能力不足，遇水易生锈，这又反过来增加了因腐蚀问题引入氢进而引发氢脆开裂的风险。综合评定，制造商提供的新螺钉备件A 不能满足使用要求，需要继续改进。

电厂重新从同行电站拆借了螺钉备件，更换后满足长期运行需要。

4 总结

（1）通过对柴油机燃油经过滤器螺钉的失效分析，研究螺钉外观、化学参数、微观检查等方式，明确了螺钉失效原因。螺钉首先发生了氢脆启裂，裂纹继而在交变载荷作用下疲劳扩展直至最终断裂。从柴油机运行条件分析，该交变载荷应该来源于柴油机机振。

（2）原设备螺钉的失效原因是由于在制造阶段未进行除氢处理，导致螺钉首先发生了氢脆启裂，裂纹继而在交变载荷作用下疲劳扩展直至最终断裂。C 元素含量偏高导致了氢脆敏感性增大，促成了该螺钉的断裂。

（3）制造商新提供的螺钉不能满足运行需要，表面磷化层偏薄，抗腐蚀能力不足，遇水易生锈。