某核电厂不锈钢螺栓开裂原因分析

2020-09-12李晓蔚张志明孔晨光李心刚

腐蚀与防护 2020年8期

李晓蔚,张志明,郭凯,孔晨光,李心刚

(大亚湾核电运营管理有限责任公司，深圳 518000)

紧固件在核电厂系统和设备中大量使用，承担了承压密封、部件连接和支承固定等功能，其质量与性能对核电厂系统和设备的服役性能有着重要影响，一旦出现失效问题，可能会带来严重的安全隐患，甚至影响电站的安全运行。在诸多紧固件中，螺栓、螺母的用量最大。螺栓连接是工程中应用最广泛的一种可拆连接，特别是高强螺栓，由于其体积小、联接刚度大、联接质量有保证而被广泛应用[1]。工作时螺栓主要承受拉应力和剪切应力。应用于发动机或驱动转子上的螺栓，受力则更为复杂，在服役过程中除受到预紧拉应力外，还要承受周期性的脉动载荷和冲击载荷。因此，在这种环境中工作的螺栓，除了一定的强度和韧性外，还要具备较高的疲劳强度[2-3]。

核电站大多建在沿海地区，受海洋大气环境的影响，螺栓材料多采用耐蚀性较好的不锈钢。在服役过程中，部分螺栓受交变载荷的作用，其发生疲劳失效的可能性增大，同时部分螺栓还会受到苛刻服役环境的影响，发生腐蚀疲劳断裂，这会给工程造成更为严重的后果[4-5]。疲劳失效一般受到材料、应力状态和服役环境的影响[6-8]。此外，高温服役的紧固件会受到温度变化的影响，冷热交替过程引起的热应力也会造成材料的热疲劳失效。

某核电厂Z2CND17.12不锈钢螺栓发生开裂失效，为了解螺栓开裂失效的原因，本工作对失效螺栓进行了理化检验，避免同类事故再次发生。

1 理化检验与结果

1.1 宏观形貌

图1是开裂螺栓整体的宏观形貌。可见，螺栓呈金属光泽，没有明显的腐蚀产物，在螺栓第一个螺牙处发生肉眼可见的开裂，整个螺栓横截面的80%已经开裂，断口基本与螺牙平行。仔细观察螺栓的其他部位，发现有两处相对较轻的裂纹。螺栓的另外一端无开裂现象。

图1 开裂螺栓的宏观形貌Fig. 1 Macrograph of cracked bolt

1.2 化学成分

参照GB 4336-2016《碳素钢和低合金钢多元素含量测定火花放电原子发射光谱法(常规法)》标准对开裂螺栓的化学成分进行测定，结果见表1。由表1可见，开裂螺栓的化学成分符合RCCM M3306《用于1、2、3级设备的奥氏体不锈钢锻造或轧制棒材和半成品件》标准对Z2CND17.12不锈钢的规定。

表1 开裂螺栓的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of cracked bolt (mass fraction) %

1.3 微观组织

从螺栓未开裂处及螺牙底部开裂处取样，采用光学显微镜观察其显微组织，结果如图2和图3所示。由图2可以看出，该螺栓组织由奥氏体晶粒和孪晶组成，是典型的奥氏体不锈钢组织，且组织均匀，晶粒度为7级，平均晶粒尺寸约30 μm。由图3(a)可以看出，螺牙底部有裂纹萌生，裂纹的长度达到毫米级，裂纹的扩展方式为穿晶型。由图3(b)可以看出，部分晶粒内有驻留滑移带(PSBs)形成。

1.4 断口形貌

采用扫描电镜(SEM)观察开裂螺栓的断口形貌，如图4所示。可以看出，裂纹从螺栓的螺牙底部开始起裂，裂纹起源的区域已经被磨平，没有明显的疲劳条带特征；在裂纹扩展区可以看到呈一簇一簇弧状分布的疲劳条带，以及与疲劳条带平行的二次裂纹；螺栓人工掰断的区域为韧性断裂，可以看到明显的韧窝特征。从疲劳条带的分布可知，疲劳条带之间的间距很小，两条条带之间的间距是裂纹在两个疲劳周次间扩展的距离，因此该螺栓的裂纹扩展速率较慢。从螺栓的服役条件可知，该螺栓服役年限已长达20 a，且受到的应力也不大，属于高周疲劳断裂。

图2 开裂螺栓未开裂处的显微组织Fig. 2 Microstructure of un-cracked area of cracked bolt

(a) 纵截面

(b) 横截面图3 开裂螺栓螺牙底部的显微组织Fig. 3 Microstructure of the screw root bottom of cracked bolt: (a) longitudinal section; (b) cross section

采用能谱仪(EDS)对断口裂纹起源区A处和扩展区B处进行成分分析，结果如表2所示。可以看出，裂纹起源区域氧含量高，而裂纹扩展区氧含量较低。这说明裂纹的起源区经历了很长时间的氧化，从侧面反映了裂纹扩展速率很慢，螺栓经历了长时间的裂纹扩展。

(a) 裂纹起源区 (b) 裂纹扩展区 (c) 疲劳条带 (d) 韧窝图4 开裂螺栓的断口形貌Fig. 4 Morphology of fracture of cracked bolt: (a) crack origin zone; (b) crack propagation zone; (c) fatigue striations; (d) dimples

表2 开裂螺栓断口的EDS分析结果(质量分数)Tab. 2 EDS analysis results of fracture of cracked bolt (mass fraction) %

1.5 位错结构

将开裂螺栓分为三个区域，如图5所示，区域1与2为开裂螺牙的两侧部位，区域3为远离开裂螺牙的另一端。在场发射透射电镜(TEM)下对不同位置的螺栓试样进行观察，分析不同区域的位错形貌，结果如图6所示。

从图6中可以发现，区域1处位错密度最大，且存在明显的一簇一簇的驻留滑移带，这是周期性应力加载造成的，与图3中看到的驻留滑移带是吻合的；区域2处位错密度比区域1处略低，有少量的驻留滑移带；区域3处位错密度最低。这说明区域1、2受到明显的疲劳循环应力的影响，而区域3基本没有受到影响。由于316奥氏体不锈钢的层错能较低，即使不受循环应力的影响也会存在一定量的位错。

图5 透射电镜分析的取样位置Fig. 5 Sampling locations for TEM analysis

2 分析与讨论

由上述结果可知，螺栓开裂的原因为循环载荷引起的疲劳断裂，且疲劳断口发生了比较明显的氧化，说明裂纹经历长时间扩展后才发生开裂，而非瞬间断裂。在开裂螺牙横截面的显微组织中有驻留滑移带形成，而驻留滑移带的形成和加深是疲劳裂纹萌生的重要方式。

一般情况下，金属的疲劳破坏可以大致分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和失稳断裂三个阶段。疲劳裂纹萌生一般都是由应变集中引起的，常见的裂纹萌生方式包括滑移带开裂，晶界或孪晶界开裂，夹杂物、相界或第二相与基体的界面开裂。其中，滑移带开裂是材料疲劳裂纹萌生最为常见的方式。可以说，疲劳裂纹的萌生是材料局部区域薄弱环节的表现，而滑移带则是疲劳过程中形成的最常见的薄弱环节。

(a) 区域1(b) 区域2(c) 区域3图6 开裂螺栓不同区域的透射电镜图Fig. 6 TEM images of different areas of cracked bolt: (a) area 1; (b) area 2; (c) area 3

驻留滑移带的形成一般需经历三个过程：首先是由于材料塑性变形未发生回复，产生滑移线；随着滑移线的不断增多与积累，形成滑移带；当加载周期不断延长时，滑移带因位错、层错等微观缺陷的逐渐积累而无法回复，最终形成驻留滑移带。驻留滑移带在金属表面或内部驻留下后，无法通过抛光等方法消除，而一般的滑移带能用机械抛光、电解腐蚀等方法消除。疲劳裂纹是在这些驻留滑移带的基础上进一步加深而萌生的[9-11]。在循环载荷下，驻留滑移带形成的主要方式是通过滑移线的挤入和挤出作用，如图7所示。驻留滑移带是疲劳裂纹萌生的转折点，一旦驻留滑移带在材料中大量形成，疲劳裂纹萌生的可能性将大大增加。在该开裂螺栓的断口附近也发现了大量的驻留滑移带，这些滑移带的形成就是潜在裂纹的形成，其产生、发展的过程与裂纹萌生的过程紧密相连。需要说明的是，该开裂螺栓材质为Z2CND17.12不锈钢，其组织中含有一定量的孪晶，在光学显微镜下呈直线状，每个晶粒内仅有数个，且往往成对出现，但驻留滑移带形成一般都是在一个晶粒内部一簇一簇出现，数量明显多于孪晶。

图7 疲劳试样表面驻留滑移带的形成示意Fig. 7 Schematic diagram of formation of persistent slip bands in fatigue sample surface

按照裂纹扩展的形态,疲劳裂纹的扩展过程可以分为两个阶段。裂纹扩展的第一阶段在断口上留下的痕迹较少或不明显，而第二阶段在断口上往往留下河流样的平行带状花纹，即疲劳条带。裂纹扩展速率可通过比较疲劳条带之间的间距来判断，间距越大，裂纹扩展越快。在该开裂螺栓的断口中发现了大量的疲劳条带，且疲劳条带之间的间距较小，属高周疲劳。