分享：核电厂海水泵用镀锌高强度螺栓的开裂原因

紧固件在核电设备的结构完整性方面发挥着重要作用,随着设备强度水平提高及轻量化发展,高强度紧固件的使用量越来越多。高强度紧固件可以减小设备的尺寸、减轻其质量,降低材料和人工安装的成本。但腐蚀是高强度紧固件在服役过程中遇到的主要威胁之一。国内核电厂已发生多起因高强度紧固件氢致开裂引起的事故[1-2],其相关断裂机理的研究也得到了重视[3-4]。为缓解紧固件腐蚀并获得更长的使用寿命,通常在高强度紧固件表面覆盖一层防腐蚀涂层,但在特定环境中,高强度紧固件还是会发生氢致开裂。 

某核电厂海水泵为大型混凝土蜗壳泵,其主要作用是将海水输送至核岛和常规岛的各种设备和构筑物,并通过热交换将电厂产生的热量最终带入大海[5]。泵体和混凝土基座通过22颗双头螺栓紧固连接。螺栓规格为M24×120 mm,材料为42CrMoA,强度等级为12.9级,按照GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》标准生产,表面经过了镀锌处理。 

在核电厂机组正式运行后的第一次预防性检修期间,通过目视检查发现其中一个双头螺栓存在裂纹,裂纹位于光杆以下第一颗螺牙处,已基本横向贯穿整个螺杆,安装后该端螺纹处于混凝土基座内。开裂螺栓表面锌镀层局部已经破损,裂纹附近有轻微塑性变形,如图1所示。为了解螺栓的开裂原因,分别选取了1颗开裂和1颗未开裂的螺栓,对其断口形貌、化学成分、显微组织和力学性能等进行了分析,探讨螺栓开裂机理,并提出相应的对策。 

图  1  开裂螺栓的宏观形貌

Figure  1.  Macrograph of cracked bolt

1.   理化检验与结果

1.1   螺栓材料性能检验

对开裂和未开裂螺栓进行化学成分分析。由表1可见,开裂和未开裂螺栓的材料中,各元素含量基本满足标准对42CrMoA钢及12.9级螺栓的化学成分要求,其中氢质量分数分别为0.000 02%和0.000 03%。 

对开裂和未开裂螺栓进行硬度测试。由表2可见,开裂和未开裂螺栓的硬度均在385 HB左右,满足标准对12.9级螺栓的硬度要求。 

对开裂和未开裂螺栓进行显微组织观察。由图2可见,开裂和未开裂螺栓的显微组织均为正常的回火马氏体。 

图  2  螺栓的显微组织

Figure  2.  Microstructure of cracked (a) and uncracked (b) bolts

未开裂和开裂螺栓的成分、硬度和组织均没有明显差别。 

从未开裂螺栓取样进行力学性能测试。由表3可见,其抗拉强度、屈服强度、断面收缩率和断后伸长率均满足标准对12.9级螺栓的要求,其中屈服强度达到1 200 MPa以上。 

1.2   断口和裂纹形貌分析

图3为开裂螺栓上裂纹扩展的显微形貌。由图3可见,主裂纹两侧有少许分叉二次裂纹,二次裂纹尖端崎岖,均以沿晶方式扩展。 

图  3  开裂螺栓上裂纹扩展形貌

Figure  3.  Morphology of crack growth on cracked bolt: (a) at low magnification; (b) at high magnification

开裂螺栓的裂纹起裂位置为螺牙牙底,将螺纹牙底裂纹打开后,采用扫描电镜观察其断口形貌。由图4可见,断口整体表现为典型的沿晶开裂特征。对裂纹断口表面进行能谱分析。结果显示,裂纹断面上附着少量氯元素,见图5。 

图  4  断口微观形貌

Figure  4.  Micro morphology of fracture: (a) at low magnification; (b) at high magnification

图  5  断口表面能谱分析位置和结果

Figure  5.  EDS analysis position (a) and results (b) for fracture surface

2.   失效原因分析

海水泵用高强度螺栓的断口和裂纹形貌均呈现明显的沿晶特征,符合高强钢氢致开裂的典型形貌特征。氢致裂纹是在材料内部的氢(原本存在或后来吸收)及应力的协同作用下,材料发生脆化而形成的。高强钢的氢脆敏感性高,即使少量的氢也会引起氢致开裂问题[6]。高强钢还具有较高的缺口敏感性,而螺牙正是螺杆圆棒结构中现成的尖锐缺口。螺栓的大部分预紧力由前几颗螺牙承受,应力集中度高。螺栓第一个啮合螺纹处为应力最大区域,螺牙底部形成最大三向应力区,使此处材料晶格发生膨胀并吸引原子氢。越来越多的氢在该处聚集,使该处萌生裂纹,裂纹沿原奥氏体晶界持续扩展从而形成沿晶裂纹。 

存在氢损伤的材料往往表现为延性明显降低。同批次未开裂螺栓的力学性能结果正常,表明未开裂螺栓的内部没有氢损伤。同时两个螺栓基体内部的氢含量也没有明显异常,因此可以排除螺栓在制造加工阶段引入氢的可能性。能谱分析时,在断口上检测出少量的氯元素。这说明断口接触了海水或海洋潮湿空气,而且断口附近镀锌层有明显的破损情况,可见导致螺栓开裂的氢是螺栓服役时外部产生的。 

碳钢、低合金钢材料的腐蚀过程以阴极反应氧去极化为主,析氢反应很微弱,但产生的氢原子已足够使高强度螺栓产生氢脆,这是高强度螺栓使用时面临的一个难题[7-8]。锌是螺栓常用的牺牲型表面防腐蚀层,其不仅可以防止螺栓表面与腐蚀介质接触,而且可以屏蔽氢的扩散,镀锌高强度螺栓在常规大气腐蚀环境中的服役记录良好[9]。但该涂层在海水中使用时存在析氢问题,表面层的金属腐蚀电位越负,产生的氢量越多[10-11]。原因是锌镀层在海水中的腐蚀电位较负,当锌镀层破损且接触海水时,表面锌镀层和螺栓基体形成电偶对,发生电偶腐蚀,因此析氢反应加快,生成的原子态氢吸附于裸露的螺栓基体表面,部分氢不可避免地扩散进入螺栓基体的晶格中,造成材料脆化,同时萌生氢致裂纹,如图6所示。 

图  6  镀锌高强度螺栓的腐蚀机理

Figure  6.  Corrosion mechanism of zinc coated high strength bolt

3.   结论与建议

核电厂海水泵用镀锌高强度螺栓的开裂性质是氢致开裂,为环境促进开裂(EAC)的作用结果。锌镀层破损的螺栓接触海水介质,表面镀锌层和螺栓基体形成电偶对,加快了氢的析出过程,部分原子氢扩散进入螺栓基体中形成氢致损伤。在螺栓预紧力的持续作用下,螺栓锌镀层破损处发生氢致开裂。 

建议对混凝土基座重新注胶密封,确保螺栓不接触海水,同时尽量减小螺栓的安装预紧力,短期内可以避免同类情况再次发生。混凝土蜗壳泵并没有必须使用高强度螺栓的规定,从长远来看,可以优化改造设备,选用尺寸更大的非高强度螺栓,以避免高强度螺栓的氢脆问题。

文章来源——材料与测试网