核电厂循环水泵盘根压盖螺栓断裂原因

苗学良, 张福海, 王 欣, 张明晖

[核电运行研究(上海)有限公司, 上海 200126]

循环水泵作为核电机组循环水系统的重要设备，其主要作用是将过滤后的冷却水输送到冷凝器，使汽轮机的排汽在凝汽器中不断凝结，带走机组余热[1]。核电厂循环水泵泵轴的动密封为盘根密封，配合饮用水(SEP)系统的轴封水工作。循环水泵盘根密封结构如图1所示，可见密封结构由填料箱、盘根、压盖、压盖盖板和压盖螺栓等组成，当旋紧螺母时压盖压缩盘根，使其紧贴循环水泵泵轴表面和填料箱，堵塞了海水向外泄漏的通道，从而起到密封作用。

图1 循环水泵盘根密封结构示意图Fig.1 Schematic diagram of packing seal structure ofcirculating water pump

盘根压盖螺栓材料为0417Ni12Mo2(316)奥氏体不锈钢，力学性能等级为GB/T 3098.6-2014《紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉和螺柱》要求的A4-70级双头螺栓，规格为M20 mm。压盖螺栓共计4根，其中1根螺栓沿填料箱螺孔边缘断裂，孔内螺栓无法取出，螺栓一般在饮用水工况下服役5 a(年)更换一次，该断裂螺栓实际使用不满1 a，其他3根螺栓未发生断裂情况。为明确断裂原因，笔者分别从宏观及微观、化学成分及力学性能等方面对螺栓的断裂原因进行了分析与讨论，以期避免类似断裂事故再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观分析

对盘根压盖的断裂螺栓和备用螺栓进行宏观分析，其中备用螺栓是与断裂螺栓同型号、同批次的备用件。盘根压盖断裂螺栓的整体形貌如图2a)所示，未见明显腐蚀痕迹，螺牙完整；光杆两侧的螺纹末端有多个明显的加工刀痕，断裂位置为第一个受力螺牙。备用螺栓整体形貌如图2b)所示，与断裂螺栓一样，光杆两侧的螺纹末端有明显的加工刀痕。断裂螺栓断口宏观形貌如图2c)所示，可见主断口整体平直无宏观塑性变形，边缘有多个次源断口，为多源启裂。主断口呈明显贝壳纹特征，贝纹线的内侧中心点方向为裂纹源区，裂纹源均起始于加工刀痕处，如图2d)所示。

图2 断裂螺栓和备用螺栓宏观形貌Fig.2 Macro morphology of fractured bolt and spare bolt:a) overall morphology of fractured bolt; b) overall morphology of spare bolt; c) morphology of fracture of fractured bolt;d) morphology of tool marks and crack initiation zone of fractured bolt

1.2 化学成分分析

在断裂螺栓的断口附近取样，同时在备用螺栓的同一位置取样，按照GB/T 20123-2006《钢铁 总碳硫含量的测定 高频感应炉燃烧后红外线吸收法(常规法)》和GB/T 20125-2006《低合金钢 多元素含量的测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法》的技术要求利用电感耦合等离子体发射光谱仪和碳硫分析仪进行化学成分分析，结果如表1所示。可见断裂螺栓和备用螺栓的化学成分基本相同，其中硫元素含量超过GB/T 3098.6-2014对A4-70级奥氏体不锈钢螺栓要求的上限，其他元素含量均在标准范围内。

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

1.3 硬度测试

在断裂螺栓和备用螺栓的横截面分别取样，根据GB/T 231.1-2018《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》的技术要求,采用HBS-3000型数显布氏硬度计对其进行布氏硬度测试，测试时试验力为1.839 kN，试验力保持时间为10 s，结果如表2所示。GB/T 3098.6-2014对A4-70级不锈钢螺栓的硬度未做规定,结果显示断裂螺栓和备用螺栓的硬度没有明显差异,平均硬度分别为335 HBW和338 HBW。

表2 硬度测试结果Tab.2 Hardness test results HBW

1.4 金相检验

对断裂螺栓和备用螺栓分别制备横截面和纵截面金相试样并对其进行观察，显微组织形貌如图3所示。由图3a)和图3c)可知断裂螺栓和备用螺栓横截面显微组织均为奥氏体，大量晶粒呈形变孪晶结构，图3b)和图3d)纵截面试样的显微组织中均可见少量沿加工变形方向分布的条带状铁素体。断裂螺栓和备用螺栓的非金属夹杂物形貌如图4所示，可见夹杂物均为A类硫化物，夹杂物等级分别为A2和A2.5，非金属夹杂物含量水平较高。断裂螺栓和备用螺栓的牙底形貌如图5所示，可见螺栓牙底均呈圆弧状，无尖角、缺口和裂纹等缺陷[2]。根据条带状组织的流线分布可知，螺纹由切削加工而成。

图3 断裂螺栓和备用螺栓的显微组织形貌Fig.3 Microstructure morphology of fractured bolt and spare bolt：a) cross section specimen of fractured bolt; b) longitudinal section specimen of fractured bolt;c) cross section specimen of spare bolt; d) longitudinal section specimen of spare bolt

图4 断裂螺栓和备用螺栓的非金属夹杂物形貌Fig.4 Morphology of non-metallic inclusions in a) fractured bolt and b) spare bolt

图5 断裂螺栓和备用螺栓的牙底形貌Fig.5 Morphology of tooth bottom of a) fractured bolt and b) spare bolt

1.5 拉伸性能测试

由于试验对试样尺寸有要求，因此测试仅对符合尺寸要求的备用螺栓进行拉伸性能测试。根据GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》的技术要求,采用Landmark 370.50型500 kN的电液伺服疲劳试验机对螺栓进行拉伸测试。结果显示备用螺栓的抗拉强度达到1 145 MPa，满足GB/T 3098.6-2014对A4-70级奥氏体不锈钢螺栓的技术要求(不小于700 MPa)，但备用螺栓强度水平较高。

1.6 断口分析

采用VEGA TS5136XM型扫描电镜(SEM)对断裂螺栓的断口进行观察，分析时将断口分为4个区域，如图6a)所示，4个区域的SEM形貌分别如图6b)～e)所示。区域1为启裂区，可见放射台阶，呈腐蚀形貌；区域2为裂纹扩展区，整体呈准解理形貌，可见少量疲劳辉纹，断口比较光滑且存在贝纹线[3]；区域3为终断区，位于两个面的交界处，微观上可见韧窝形貌；区域4为次源断口，整体呈准解理形貌，为典型的脆性断裂形貌特征[4]。

图6 断裂螺栓断口SEM形貌Fig.6 SEM morphology of fracture of fractured bolt：a) overall morphology; b) morphology of zone 1; c) morphology of zone 2; d) morphology of zone 3; e) morphology of zone 4

2 分析与讨论

由试验分析可知，盘根压盖断裂螺栓的断口宏观形貌呈贝纹线特征，裂纹源位于螺纹的加工刀痕处，裂纹扩展区有明显的疲劳辉纹，因此螺栓断裂模式为疲劳断裂[5]。

首先，盘根压盖螺栓的加工质量不佳，可见明显的加工刀痕，在加工刀痕处萌生裂纹。螺栓螺纹若采用滚压工艺，能使金属流线相对平滑不被切断，且表面存留的压应力能显著提高疲劳寿命。而盘根压盖螺栓螺纹由切削加工而成，金属流线被切断，疲劳寿命相对降低。同时，光杆部位两侧螺纹处留下多个加工刀痕，为螺栓开裂提供了多个应力集中的疲劳源，产生多个疲劳裂纹源，这也是盘根压盖螺栓断裂为多源启裂的原因。

其次，在交变载荷作用下，螺栓疲劳裂纹不断扩展。由循环水泵盘根密封的结构可知，压盖螺栓连接压盖和填料箱，压盖和填料箱之间不直接接触，则压盖螺栓存在一定挠曲，挠曲程度随着螺栓拧紧程度的降低而升高，螺栓断裂位置位于填料箱螺孔的边缘，为挠曲程度最大的区域之一；同时螺栓的断裂位置为光杆和螺纹区交界的第一个受力螺牙处，此处为整个螺栓应力集中最大处。盘根压盖螺栓的断裂区域是以上两种情况的重合区域，为疲劳断裂的敏感区域。螺栓在服役过程中承受交变应力，交变应力主要来源于设备启动及运行过程中的负荷波动，这使得螺栓在设备运行过程中受到较大交变载荷作用,长时间运行时会导致螺栓疲劳破坏[6]。

由于螺栓强度过高和硫化物夹杂含量过高，也促进了疲劳裂纹的萌生。是因为螺栓强度过高导致疲劳缺口敏感性增大，由于夹杂物变形能力较差，在钢与夹杂物交界处形成微裂纹，螺栓受力时，微裂纹成为疲劳破坏的启裂源[7]。奥氏体不锈钢螺栓的冷加工过程使螺栓材料出现形变强化，材料硬度和抗拉强度升高，组织出现形变孪晶[8-9]。A4-70级不锈钢螺栓是最小抗拉强度为700 MPa的冷加工奥氏体钢螺栓，按强度等级相当于碳钢或合金钢材料的6.8级螺栓；备用螺栓抗拉强度达到了1 145 MPa，按强度等级相当于碳钢或合金钢材料10.9级的高强螺栓，其强度较高。断裂螺栓的化学成分、显微组织均与备用螺栓的一致，其强度和硬度较高，表明断裂螺栓和备件螺栓冷变形强化均较大。螺栓中硫元素含量超过标准的上限，硫化物非金属夹杂含量过高，硫化物夹杂增加了材料的不连续性，成为微观上的应力集中点，促进了疲劳裂纹的萌生[10-12]。在以上因素的综合作用下，最终在应力集中处裂纹扩展到最大，螺栓发生断裂。

3 结论及建议

盘根压盖螺栓发生断裂的主要原因是螺纹切削加工，产生了加工刀痕，此处产生应力集中并萌生疲劳裂纹源，同时由于材料强度较高和硫化物夹杂含量过高，进一步促进了疲劳裂纹的萌生，在交变载荷作用下疲劳裂纹不断扩展，最终导致螺栓发生疲劳断裂。

建议进一步加强螺栓质量控制，对螺栓的化学成分、力学性能、显微组织和表面缺陷等进行检查，验收合格后使用；适当提高螺栓检查频率，定期更换循环水泵的盘根压盖螺栓等疲劳敏感部件。