核电厂溢流阀螺栓断裂的原因

胡明磊,张忠伟,刘洪群,张 维

(1.中核核电运行管理有限公司，海盐 314300；2.苏州热工研究院有限公司，苏州 215004)

国产某核电机组在满功率运行期间，汽轮机2号主汽门油动机溢流阀2颗固定螺栓(编号1#和2#螺栓)发生断裂，导致连接油管漏油，机组紧急停堆。断裂螺栓为全螺纹结构，规格为M10 mm×37 mm，表面进行了发黑处理，所处环境为沿海室内大气环境。断裂位置分别在螺栓头向下第1螺牙和第2螺牙处，如图1所示。本工作为分析断裂螺栓的失效原因，对其进行了一系列理化检验。

图1 失效螺栓Fig.1 Failed bolts

1 理化检验与结果

1.1 断口宏观形貌

图2为失效螺栓断口的宏观形貌。可见，两个失效螺栓断口都较为平齐，未见有明显的宏观塑性变形特征。1#和2#螺栓断口表面附着一层腐蚀产物，其中2#螺栓断口表面腐蚀产物最为明显。经超声波清洗后，断口表面依然残留了相当数量的腐蚀产物，可见这两个断口的裂纹已经存在较长一段时间。从断面的台阶状纹理和腐蚀产物分布情况可以推断出裂纹的总体扩展方向为从下向上扩展，在螺牙附近断裂。以下工作主要以2#螺栓为研究对象。

(a) 清洗前

1.2 化学成分

对失效螺栓的化学成分进行分析，结果见表1。结果表明,失效螺栓中含少量Mo元素，其化学成分符合GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》标准中12.9级碳钢紧固件的要求。

表1 失效螺栓的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of failed bolt (mass fraction) %

1.3 硬度

对失效螺栓进行硬度测试。结果表明，2#螺栓的硬度平均值为433.6 HV。根据GB/T 3098.1-2010标准，12.9级紧固件的硬度范围为385～435 HV，失效螺栓的硬度处于该范围内，符合标准要求。

1.4 裂纹形貌和显微组织

观察抛光后失效螺栓纵截面上裂纹的形貌，结果如图3所示。在试样上可以看到多条裂纹，分别位于断口上和断口向下第1螺牙牙底、第3螺牙牙底和第4螺牙的内侧，裂纹呈树枝状或断续形貌特征，螺栓的牙底均呈圆滑过渡，未见钝角和尖锐等过渡。

(a) 整体形貌

采用金相显微镜观察失效螺栓横向和纵向组织，结果如图4所示。结果表明，失效螺栓的显微组织为保留了马氏体位向的回火索氏体，纵向试样上多条裂纹均为沿晶裂纹。

1.5 断口微观形貌

螺栓断口较为平齐，采用扫描电镜观察断口各微区的形貌，结果如图5所示。其中，启裂区(1区)和扩展区(2区)均为沿晶形貌，并伴有沿晶二次裂纹，晶面上附着有腐蚀产物，在部分晶面上可以看到小的圆形洞穴。瞬断区(3区和4区)为韧窝形貌。

2 失效原因分析

断裂螺栓在外观上未见明显的塑性变形，断口较为平直，属于典型的脆性断口。断面上附着有较多的腐蚀产物，呈深褐色，经超声波清洗后腐蚀产物依然大量残留，这说明螺栓断裂并非短时间内一下子发生的，而是螺栓萌生裂纹并经历了较长时间扩展后才发生瞬断的。微观分析显示，断口为沿晶断裂，断面上有较多的沿晶二次裂纹，而断口下方存在沿晶的分叉次裂纹，为应力腐蚀裂纹(SCC)的典型特征形貌。在断口启裂区和扩展区的部分晶面上可见小的圆形洞穴，此为氢逃逸留下的痕迹，表明在应力腐蚀初始阶段和裂纹扩展过程中氢起到了重要作用。

(a) 横截面

失效螺栓的硬度为433.6 HV，换算成抗拉强度为1 438 MPa，为12.9级高强度螺栓。高强度螺栓属于缺口零件，具有很高的缺口敏感性，容易在缺口集中部位如杆与头部的过渡处或螺纹根部产生延迟断裂[1]。手动安装过程中施加的扭矩以及机组运行过程中的油压(13.8 MPa)都为螺栓发生应力腐蚀提供了应力条件。从断口表面深褐色的腐蚀产物可知，核电常规岛室内环境中依然有水汽存在，它为应力腐蚀的发生提供了水环境条件。这里的水应该来自室内海洋大气中的水蒸气凝结。螺栓表面一旦发生腐蚀形成腐蚀坑或微裂纹，新生成的腐蚀产物很快会把裂缝堵塞，从而阻塞O2等大体积分子进入，形成氧浓差极化。缺O2的裂尖成为阳极，富O2螺栓表面成为阴极，从而使裂尖和螺栓外表面构成一个闭塞电池。在裂尖处不仅O2进不来，Fe2+也无法跑出腐蚀产物层，裂尖溶解(腐蚀)的Fe2+将和H2O发生水解反应，从而使裂尖处H+含量明显升高，裂尖酸化，pH降低。阳极溶解(腐蚀)反应的阴极过程是析氢反应生成氢气，并向螺栓基体扩散。高强度钢在大气中腐蚀时能够吸附足够的氢以引起脆性断裂[2]。这种脆性断裂属于氢致开裂型应力腐蚀，它是氢致滞后导致钢断裂的一个特例[3]，亦称环境氢脆[4]。

(a) 整体形貌 (b) 1区形貌 (c) 2区形貌 (d) 3区形貌图5 失效螺栓断口的微观形貌Fig.5 Micro morphology of fracture of failed bolt:(a) overall surface；(b) region 1；(c) region 2；(d) region 3

影响高强钢发生氢致应力腐蚀的因素很多[1-2]。资料显示，决定钢氢致应力腐蚀抗力的最主要因素是钢的屈服强度水平。GB/T 3098.1-2010标准中也提到：当考虑使用12.9级紧固件时应谨慎，紧固件制造者的能力、服役条件和拌拧方法都应仔细考虑，除表面处理外，使用环境也可能造成紧固件的应力腐蚀开裂。螺栓的抗拉强度换算值超过1 400 MPa，因此发生氢致应力腐蚀开裂的风险也会很高。

在断口启裂区附近进行表面能谱分析，检测位置见图6，结果如表2所示。结果表明，断口表面主要为铁氧化物，并含有少量P元素，P元素应来自螺栓表面沾到的油污。

图6 能谱分析位置Fig.6 Locations for EDS analysis

表2 断口能谱分析结果(质量分数)Tab.2 Results of EDS analysis of fracture (mass fraction) %

3 结论与建议

断裂螺栓属于高强度螺栓，断口微观形貌表现为沿晶特征，断裂性质为氢致应力腐蚀(或称环境氢脆)。建议电厂加强对12.9级及以上高强度紧固件的监督检查，建立高强度紧固件清单，并根据重要性实施预防性抽检；在可选范围内使用强度等级尽量低的螺栓，以降低发生应力腐蚀开裂的风险。