緊固件在核電設備的結構完整性方面發揮著重要作用,隨著設備強度水平提高及輕量化發展,高強度緊固件的使用量越來越多。高強度緊固件可以減小設備的尺寸、減輕其質量,降低材料和人工安裝的成本。但腐蝕是高強度緊固件在服役過程中遇到的主要威脅之一。國內核電廠已發生多起因高強度緊固件氫致開裂引起的事故[1-2],其相關斷裂機理的研究也得到了重視[3-4]。為緩解緊固件腐蝕并獲得更長的使用壽命,通常在高強度緊固件表面覆蓋一層防腐蝕涂層,但在特定環境中,高強度緊固件還是會發生氫致開裂。 

某核電廠海水泵為大型混凝土蝸殼泵,其主要作用是將海水輸送至核島和常規島的各種設備和構筑物,并通過熱交換將電廠產生的熱量最終帶入大海[5]。泵體和混凝土基座通過22顆雙頭螺栓緊固連接。螺栓規格為M24×120 mm,材料為42CrMoA,強度等級為12.9級,按照GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》標準生產,表面經過了鍍鋅處理。 

在核電廠機組正式運行后的第一次預防性檢修期間,通過目視檢查發現其中一個雙頭螺栓存在裂紋,裂紋位于光桿以下第一顆螺牙處,已基本橫向貫穿整個螺桿,安裝后該端螺紋處于混凝土基座內。開裂螺栓表面鋅鍍層局部已經破損,裂紋附近有輕微塑性變形,如圖1所示。為了解螺栓的開裂原因,分別選取了1顆開裂和1顆未開裂的螺栓,對其斷口形貌、化學成分、顯微組織和力學性能等進行了分析,探討螺栓開裂機理,并提出相應的對策。 

圖  1  開裂螺栓的宏觀形貌

Figure  1.  Macrograph of cracked bolt

1.   理化檢驗與結果

1.1   螺栓材料性能檢驗

對開裂和未開裂螺栓進行化學成分分析。由表1可見,開裂和未開裂螺栓的材料中,各元素含量基本滿足標準對42CrMoA鋼及12.9級螺栓的化學成分要求,其中氫質量分數分別為0.000 02%和0.000 03%。 

對開裂和未開裂螺栓進行硬度測試。由表2可見,開裂和未開裂螺栓的硬度均在385 HB左右,滿足標準對12.9級螺栓的硬度要求。 

對開裂和未開裂螺栓進行顯微組織觀察。由圖2可見,開裂和未開裂螺栓的顯微組織均為正常的回火馬氏體。 

圖  2  螺栓的顯微組織

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

未開裂和開裂螺栓的成分、硬度和組織均沒有明顯差別。 

從未開裂螺栓取樣進行力學性能測試。由表3可見,其抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率和斷后伸長率均滿足標準對12.9級螺栓的要求,其中屈服強度達到1 200 MPa以上。 

1.2   斷口和裂紋形貌分析

圖3為開裂螺栓上裂紋擴展的顯微形貌。由圖3可見,主裂紋兩側有少許分叉二次裂紋,二次裂紋尖端崎嶇,均以沿晶方式擴展。 

圖  3  開裂螺栓上裂紋擴展形貌

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

開裂螺栓的裂紋起裂位置為螺牙牙底,將螺紋牙底裂紋打開后,采用掃描電鏡觀察其斷口形貌。由圖4可見,斷口整體表現為典型的沿晶開裂特征。對裂紋斷口表面進行能譜分析。結果顯示,裂紋斷面上附著少量氯元素,見圖5。 

圖  4  斷口微觀形貌

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

圖  5  斷口表面能譜分析位置和結果

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

2.   失效原因分析

海水泵用高強度螺栓的斷口和裂紋形貌均呈現明顯的沿晶特征,符合高強鋼氫致開裂的典型形貌特征。氫致裂紋是在材料內部的氫(原本存在或后來吸收)及應力的協同作用下,材料發生脆化而形成的。高強鋼的氫脆敏感性高,即使少量的氫也會引起氫致開裂問題[6]。高強鋼還具有較高的缺口敏感性,而螺牙正是螺桿圓棒結構中現成的尖銳缺口。螺栓的大部分預緊力由前幾顆螺牙承受,應力集中度高。螺栓第一個嚙合螺紋處為應力最大區域,螺牙底部形成最大三向應力區,使此處材料晶格發生膨脹并吸引原子氫。越來越多的氫在該處聚集,使該處萌生裂紋,裂紋沿原奧氏體晶界持續擴展從而形成沿晶裂紋。 

存在氫損傷的材料往往表現為延性明顯降低。同批次未開裂螺栓的力學性能結果正常,表明未開裂螺栓的內部沒有氫損傷。同時兩個螺栓基體內部的氫含量也沒有明顯異常,因此可以排除螺栓在制造加工階段引入氫的可能性。能譜分析時,在斷口上檢測出少量的氯元素。這說明斷口接觸了海水或海洋潮濕空氣,而且斷口附近鍍鋅層有明顯的破損情況,可見導致螺栓開裂的氫是螺栓服役時外部產生的。 

碳鋼、低合金鋼材料的腐蝕過程以陰極反應氧去極化為主,析氫反應很微弱,但產生的氫原子已足夠使高強度螺栓產生氫脆,這是高強度螺栓使用時面臨的一個難題[7-8]。鋅是螺栓常用的犧牲型表面防腐蝕層,其不僅可以防止螺栓表面與腐蝕介質接觸,而且可以屏蔽氫的擴散,鍍鋅高強度螺栓在常規大氣腐蝕環境中的服役記錄良好[9]。但該涂層在海水中使用時存在析氫問題,表面層的金屬腐蝕電位越負,產生的氫量越多[10-11]。原因是鋅鍍層在海水中的腐蝕電位較負,當鋅鍍層破損且接觸海水時,表面鋅鍍層和螺栓基體形成電偶對,發生電偶腐蝕,因此析氫反應加快,生成的原子態氫吸附于裸露的螺栓基體表面,部分氫不可避免地擴散進入螺栓基體的晶格中,造成材料脆化,同時萌生氫致裂紋,如圖6所示。 

圖  6  鍍鋅高強度螺栓的腐蝕機理

Figure  6.  Corrosion mechanism of zinc coated high strength bolt

3.   結論與建議

核電廠海水泵用鍍鋅高強度螺栓的開裂性質是氫致開裂,為環境促進開裂(EAC)的作用結果。鋅鍍層破損的螺栓接觸海水介質,表面鍍鋅層和螺栓基體形成電偶對,加快了氫的析出過程,部分原子氫擴散進入螺栓基體中形成氫致損傷。在螺栓預緊力的持續作用下,螺栓鋅鍍層破損處發生氫致開裂。 

建議對混凝土基座重新注膠密封,確保螺栓不接觸海水,同時盡量減小螺栓的安裝預緊力,短期內可以避免同類情況再次發生。混凝土蝸殼泵并沒有必須使用高強度螺栓的規定,從長遠來看,可以優化改造設備,選用尺寸更大的非高強度螺栓,以避免高強度螺栓的氫脆問題。

文章來源——材料與測試網