某核电站凝汽器密封结构用镍铝青铜螺栓断裂原因

高腾飞, 郭 凯, 李心刚, 翟新年, 罗 真

(1.大亚湾核电运营管理有限责任公司, 深圳 518000; 2.中核深圳凯利核能服务有限公司, 深圳 518000)

镍铝青铜是一种特殊铝青铜合金,其中添加了一定量的镍、铁和锰等元素,使其性能得到改善。镍铝青铜具有良好的综合力学性能和耐腐蚀性能,被广泛应用于海洋装备、滨海电厂设备、冷凝器管道中[1-4]。

某滨海核电厂凝汽器密封结构上的螺栓发生断裂。该密封结构呈狗骨状,并由压板固定在凝汽器壁面上,每块压板由8颗尺寸为22 mm×100 mm(直径×长度)的镍铝青铜螺栓固定,螺栓的材料为C63000钢,其中两颗螺栓发生断裂。笔者采用一系列理化检验方法分析了螺栓断裂的原因,并提出了相关改进建议,以避免该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

将两颗断裂螺栓分别编号为1号螺栓和2号螺栓,其断面宏观形貌如图1所示。由图1可知:螺栓断面大部分区域覆盖有黑灰色腐蚀产物,部分区域呈黄褐色,局部区域存在轻微塑性变形,整体呈脆性断口特征;将2号螺栓沿纵向切开,其纵截面存在多条起源于断口的裂纹,裂纹向螺栓内部扩展,扩展方向与左侧断口平面方向一致,裂纹细长且存在分叉。

图1 1号螺栓和2号螺栓断面的宏观形貌

初步判断裂纹起源于黑灰色区域边缘部分,经过扩展后最终断裂于断口黄褐色区域。

1.2 化学成分分析

采用荧光光谱仪对断裂螺栓进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:该断裂螺栓的化学成分满足标准要求。

表1 断裂螺栓的化学成分分析结果 %

1.3 扫描电镜(SEM)分析

将断裂螺栓断口清洗并干燥后,用扫描电镜(SEM)对其进行观察,结果如图2所示。由图2可知:断口被黑灰色腐蚀产物覆盖的区域存在磨光特征,根据条纹分布情况判断该区域为裂纹源区;裂纹扩展区存在二次裂纹;断口处存在与镍铝青铜合金基体颜色一致的黄褐色区域,该区域不存在腐蚀产物,说明其形成时间较晚,且该区域呈不规则的韧窝形貌,判断其为终断区。

图2 螺栓断口的SEM形貌

1.4 力学性能测试

将断裂螺栓加工成直径为6 mm的圆棒形标准拉伸试样,对试样进行室温拉伸测试,测试结果如表2所示。由表2可知:该断裂螺栓的力学性能满足标准要求。

表2 断裂螺栓的力学性能测试结果

1.5 金相检验

在断裂螺栓的非断口位置横截面以及断口位置纵截面处取样,对试样进行打磨、抛光、腐蚀等处理,然后将试样置于光学显微镜下观察,结果如图3所示。由图3可知:螺栓为典型的α相(黄白色区域)和β相(灰黑色区域)两相组织,组织整体较为均匀,未见明显的偏析、孔洞、气孔等制造缺陷;断口纵截面有多个起源于断口的裂纹,裂纹在沿轴向纵深扩展的过程中产生了明显的树枝状分叉,呈应力腐蚀开裂的典型特征。

图3 断裂螺栓的微观形貌

图4 螺栓的装配状态示意

2 综合分析

由上述理化检验结果可知:该断裂螺栓的化学成分和力学性能均满足标准要求;断口黄褐色区域可见明显的韧窝,结合宏观观察结果,判断裂纹起源于断口黑灰色腐蚀产物覆盖区域的边缘,终断于断口黄褐色区域。螺栓横截面组织均匀,无明显制造缺陷,纵截面有大量起源于断口的裂纹,且主裂纹在扩展过程中形成了树枝状分叉,呈应力腐蚀裂纹的典型形貌特征。

应力腐蚀断裂是金属材料在应力和特定腐蚀环境的共同作用下,发生的低于材料强度极限的脆性断裂形式[5]。通常情况下,腐蚀环境对于材料仅有轻微的腐蚀作用,材料所受应力一般为拉应力,且应力通常不会对材料造成破坏,但在二者的相互作用下,材料会发生应力腐蚀断裂。应力腐蚀断裂具有腐蚀介质缓和、应力水平较低的特点[6]。

2.1 腐蚀介质

断裂螺栓位于核电站凝结水抽取系统中凝汽器密封结构的管板处,由于管板会与海水接触,故管板材料选用镍铝青铜合金,以防止海水腐蚀,同时配套螺栓也同样采用镍铝青铜合金。镍铝青铜虽然是良好的耐腐蚀材料,但研究表明,该合金在潮湿的NH3气氛中容易发生应力腐蚀开裂[7-8]。凝汽器是二回路所有排气的汇集点,其中气体主要包括水蒸气和调节核电站二回路pH时加入的氨,以及给水除氧时加入的联氨分解产生的氨气。经检测,二回路的pH约为9.6,根据GB/T 10576.2—2007 《铜及铜合金加工残余应力检验方法 氨熏试验法》中附录A的规定,在存在氨污染的大气环境中,铜合金产品能够安全使用的pH应为10。说明机组运行时,断裂螺栓长期服役于一个pH相对较低的潮湿NH3环境中。

2.2 受力分析

螺栓的装配状态如图 4所示,在螺栓紧固过程中,压板上部半圆形凸台首先接触壁面,此时压板和壁面处于相互平行状态,但未达到密封状态。继续旋紧螺母,压板会以凸台为支点顺时针旋转。完成密封时,螺母底面的上部与压板紧密贴合,而下部则可能留有间隙,不同的贴合程度使得螺栓受到不均匀的应力载荷,增大了螺栓表面应力腐蚀倾向。断裂螺栓的宏观断口具有一定的角度,判断螺栓受到了切应力的作用。

综合以上分析判断,螺栓服役过程中受到不均匀的应力载荷,使其表面应力腐蚀倾向变大,且螺栓长期处于自身应力腐蚀敏感介质中,在二者的耦合作用下,螺栓萌生了应力腐蚀裂纹,裂纹沿着残余应力较高的相界区域向内扩展,最终导致螺栓发生应力腐蚀断裂。

3 结论与建议

断裂螺栓长期处于自身应力腐蚀敏感的潮湿NH3气氛中,且服役过程中受到不均匀的应力载荷,增大了其表面应力腐蚀倾向,最终使螺栓发生了应力腐蚀断裂。

建议对凝汽器的镍铝青铜压板螺栓进行无损检测,并及时更换。采取替换螺栓材料、减小螺栓预紧力或降低凝汽器氨浓度等措施,可以避免螺栓发生断裂。