某核电厂定位弹簧销钉失效原因分析

胡苧尹 骆 抗 乔 泽 王仪美

（1. 中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉 430223；2. 中核凯利深圳核能服务股份有限公司，湖北 武汉 430223；3. 福建福清核电有限公司，福建 福清 350818）

0 引言

核电厂循环水系统的功能是通过两条独立的进水渠向每台机组的冷凝器和辅助冷却水系统提供冷却水（海水）。二次滤网是布置在循环水系统中，用于除去凝汽器循环水侧涵道中的海生物以及渣屑， 减少杂质对凝汽器内钛管的损坏，避免大功率波动产生安全风险，是保证凝汽器和汽轮机组安全运行的重要设备[1,2]。销钉是机械中常见的紧固件之一，其作用是防止两个零件的相对位置错动，在实际工程中很多承载构件都制成螺栓或销钉连接构件的形式[3,4]。在实际运行过程中，部件与销钉定位接头之间采用螺纹装配配合焊接等连接方式，易于产生应力集中而失效，或受到多次重复变化的载荷作用后，在交变载荷重复作用下由于疲劳而产生材料和结构的破坏[5,6]。

某核电厂大修期间发现循环水系统二次滤网减速器与主轴组件之间的4组定位弹簧齿形圆柱销钉中存在裂纹，其服役环境为室内干燥大气，湿度低，非加热空间，不发生冷凝，大气中腐蚀性污染物水平低，无特殊腐蚀性物质如SO2等，环境导致腐蚀的风险低，服役时间大约为11个月。经反馈，运行期间二次滤网减速机可能渗漏海水，从而导致弹簧销钉腐蚀。本文结合宏观检查、成分分析、金相分析、硬度测试、SEM和EDS等技术手段对弹簧销钉产生裂纹的原因进行了系统分析，并根据分析结果提出了建议措施。

1 试验

1.1 宏观形貌

失效定位弹簧销钉原始形貌如图1所示，从左到右分别标记为1#～4#销钉，其中1#及2#存在裂纹。利用体视显微镜对1#～4#弹簧销钉顶部（内销弹出侧）及底部照片逐个观察，发现实际有3个存在开裂，其裂纹所在部位如图2所示， 1#、2#销钉外销由端部开裂，沿纵向未贯穿，沿截面贯穿；2#、3#销钉内销开裂，其中2#由中部开裂，沿截面贯穿、沿纵向未贯穿；3#由端部开裂，沿截面完全贯穿、纵向贯穿约2个齿距；4#销钉未开裂。由图2弹簧销钉端部照片可知，内外销钉开槽的安装角度均小于90°。将弹簧销钉沿截面切开，1#～4#销钉观察截面如图3所示，可以看出，1#弹簧销钉外销及内销安装角度约为76°，2#弹簧销钉外销及内销安装角度约为22°，3#弹簧销钉外销及内销安装角度约为39°，4#弹簧销钉外销及内销安装角度约为32°。设计要求弹簧销钉开口安装配合角度为90°～180°，因此4组弹簧销钉外销和内销的配合角度均不满足图纸设计要求，可能会导致应力集中。

图1 失效定位弹簧销钉宏观形貌

图2 弹簧销钉体视照片（箭头所指为裂纹位置）

图3 1～4#弹簧销钉截面照片

1.2 成分分析

销钉规格为Ф16mm，材质为调质弹簧用热轧钢，牌号51CrV4（1.8159）。依据GB/T 20123-2006《低合金钢多元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》，利用碳硫分析仪对1#及4#弹簧销钉碳和硫元素进行分析，并利用电感耦合等离子体发射光谱仪对1#及4#弹簧销钉其余元素进行分析，将检测结果与EN 10289《调质弹簧用热轧钢》标准要求的51CrV4成分对比，如表1所示。由表可知，弹簧销钉成分满足EN 10289-2002的要求。

表1 1#及4#弹簧销钉成分分析结果

1.3 金相分析

依据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》制备试样，采用4%硝酸酒精作为腐蚀剂，将1#弹簧销钉经切割、镶嵌、磨抛、腐蚀后在金相显微镜下观察横截面金相组织，如图4所示，1#外销和内销金相组织均为均匀且细小的回火托氏体组织，金相组织无异常。

图4 1#弹簧销钉金相组织照片（500×）

观察1#外销开裂位置截面金相组织，结果如图5所示，可以看出，在截面方向上，1#外销由外侧开裂，向内侧方向扩展约2/3壁厚后发生偏转，直至完全贯穿，扩展方向上可观察到二次裂纹。扩展开裂位置未发现脱碳、组织偏析等，裂纹金相组织无 异常。

图5 1外销裂纹金相照片（50×）

1.4 硬度检测分析

采用GB/T 4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》对1#和4#弹簧销钉的外销和内销进行维氏硬度测试，并依据GB/T 1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》，对维氏硬度结果进行换算，结果如表2所示。送检弹簧销钉洛氏硬度在46～48之间，硬度值与EN 10289-2002《调质弹簧用热轧钢》标准规定值相比无异常。

表2 1#及4#弹簧销钉硬度结果

1.5 SEM及EDS分析

利用扫描电镜观察销钉断口微观形貌，图6和图7为2#弹簧销钉外销的断口微观形貌照片，其中图6为断口整体形貌，可看到断口整体平齐，无颈缩等宏观塑性断裂特征，将断口分为A～C三个区域进行观察。如图7A区可观察到局部放射性特征，为裂纹源区，裂纹源芯部为脆性断口；B区为裂纹沿截面方向的扩展区，断口呈冰脆性断裂特征；C区为沿纵向的裂纹扩展区，此区域表面附着有大量的腐蚀产物。

图6 2#弹簧销钉外销断口整体微观形貌

图7 2#弹簧销钉外销断口分区微观形貌

为了确定定位弹簧销钉断口腐蚀产物的成分，按照如图6所选取典型区域（A、B、C区）用能谱分析仪对腐蚀产物进行 EDS 分析，结果如表3所示。表3为图6中A、B、C区域中元素分析结果，结果显示C区域腐蚀产物中所含元素主要为O、Fe，A区存在少量S元素，C区中存在少量Cl及S元素。Cl和S元素为活性元素，对材料有较强的腐蚀作用。

表3 2#弹簧销钉外销A、B、C区EDS分析结果

应力腐蚀过程是金属材料、腐蚀介质和拉应力三个因素共同作用，使金属电化学腐蚀加剧并产生破裂的过程，包括孕育、扩展和溃裂三个阶段。Cl应力腐蚀开裂机理为介质中Cl的吸附，导致金属表面应变能降低引起开裂。由于二次滤网可能存在海水泄漏，因此弹簧销钉的服役环境中有Cl等侵蚀性离子的存在。应力来源于冷变形、焊接和金属加工残余应力等，这些应力的产生使金属内部组织的稳定性得到了破坏，晶粒在应力方向的作用下导致位错移动而形成滑移台阶，这些滑移台阶的构成给Cl带来了吸附和渗透的机会[7]。另外，Mn促进有害元素S、P等向晶界偏析，从而使晶界键合力下降，也会导致金属材料产生应力腐蚀破裂的敏感性升高[8]。

2 结果与讨论

总结针对失效定位销钉的各测试分析结果 如下：

（1）4组弹簧销钉中有3组发生开裂，其中1组为外销和内销同时开裂，1组为外销开裂，1组为内销开裂；

（2）送检销钉的内外销开槽的角度均小于90°，不满足设计要求的90～180°；

（3）送检的弹簧销钉成分满足EN 10289《调质弹簧用热轧钢》标准要求，金相组织、夹杂物、脱碳层及硬度结果无异常；

（4）裂纹区金相结果显示销钉由外侧开裂，在截面沿内侧扩展；扩展开裂位置未发现脱碳、组织偏析等，裂纹金相组织无异常，未发现原始微裂纹等缺陷；

（5）断口分析结果显示弹簧销钉发生了脆性开裂，腐蚀产物主要为Fe和O，同时还存在少量S和Cl，这些元素对弹簧销钉具有腐蚀性。

结合断口分析结果及弹簧销钉服役环境判断，送检弹簧销钉是由于应力腐蚀开裂发生的失效，原因如下：

（1）根据弹簧销钉结构判断，安装后的销钉外表面承受拉应力（如图8所示），局部承受的应力可能大于其屈服强度；

图8 弹簧销钉安装前后受力示意图（未考虑局部受力状态）

（2）弹簧销钉外表面被腐蚀，断口腐蚀产物中检测出S、Cl腐蚀性元素，表明销钉处于腐蚀性环 境中；

（3）高强度销钉在拉应力状态和腐蚀性环境共同作用下，发生脆性断裂为主的应力腐蚀开裂。

综上所述，弹簧销钉在较大的拉应力状态下与腐蚀性介质接触，由外侧发生应力腐蚀开裂最终｜失效。

3 结论与建议

发生失效的弹簧销钉成分满足标准要求，金相组织、硬度等分析结果无异常；其断裂性质为服役时的拉应力状态并与腐蚀介质接触导致的应力腐蚀开裂。后续建议措施如下：

（1）检查处于相同服役环境的销钉，及时清理漏到销钉安装部位的残留侵蚀介质，避免材料处于腐蚀性环境，并对发现问题的销钉进行更换；

（2）安装时应依据其设计要求，内销和外销安装角度应控制在90～180°范围内。