某電廠重要廠用水系統(tǒng)泵葉輪螺栓腐蝕斷裂分析

來(lái)源：智能緊固件及緊固件工具 2020-05-18 瀏覽：2094

作者：陳平、戴猛、晉嘉昱、喬澤

出處：《腐蝕研究》

摘要：某電廠重要廠用水系統(tǒng)泵葉輪口環(huán)螺栓斷裂發(fā)生斷裂，初步分析推斷該螺栓斷裂主要是由于螺栓材料耐蝕性一般，以及在海水服役環(huán)境下加速腐蝕所致。通過對(duì)此螺栓腐蝕斷裂機(jī)理的初步分析，提出了此類螺栓腐蝕斷裂的預(yù)防措施，為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

1 概述

1.1 重要廠用水系統(tǒng)簡(jiǎn)介
核電廠的重要廠用水系統(tǒng)是冷卻系統(tǒng)的一部分，用于在正常運(yùn)行和事故工況下把核島內(nèi)安全有關(guān)構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件傳來(lái)的熱量輸送到最終熱井-海水，重要廠用水系統(tǒng)還通過向海水中投加次氯酸鈉溶液和設(shè)置貝類捕集器等措施來(lái)保證板式換熱器的有效運(yùn)行

1.2 事件概述

2017年8月，某電廠在解體檢查重要廠用水系統(tǒng)泵時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)泵葉輪口環(huán)6個(gè)螺栓均已斷裂，失效現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。該泵葉輪上下口環(huán)螺栓規(guī)格為M8×20mm，螺栓材質(zhì)為06Cr17Ni12Mo2（即316不銹鋼），葉輪材料為A890-5A，上下口環(huán)材料為A276 S32760，二者均為雙相不銹鋼，其材料成分類似2507雙相不銹鋼。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)前對(duì)下口環(huán)6個(gè)斷裂螺栓和上口環(huán)6個(gè)未斷螺栓進(jìn)行編號(hào)，6個(gè)斷裂螺栓編號(hào)為X1#～X6#，6個(gè)未斷螺栓編號(hào)為S1#～S6#。

根據(jù)測(cè)試和分析工作需要，對(duì)6個(gè)斷裂螺栓和6個(gè)未斷螺栓分別進(jìn)行了宏觀檢查、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)及斷口微觀分析試驗(yàn)，具體如下：

（1）宏觀檢查：通過目視及SEM觀察，檢查螺栓的外觀形貌、幾何尺寸和斷口形貌等；

（2）化學(xué)成分分析：用掃描電鏡自帶能譜進(jìn)行能譜分析，檢測(cè)螺栓中主要合金元素含量，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為JY/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》；取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為CSM 0703 94 01-2003《合金鋼-錳、磷、鉻、鎳、鉬、銅、釩、鈷、鈦、鋁含量的測(cè)定-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》和GB/T 20123-2006《鋼鐵總碳硫含量高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法》；
（3）金相檢驗(yàn)：用線切割方式取樣，經(jīng)預(yù)磨、拋光并侵蝕后進(jìn)行金相檢測(cè)；測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》；
（4）硬度測(cè)試：在橫截面金相試樣上進(jìn)行布氏硬度測(cè)試；測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 231.1《金屬布氏硬度試驗(yàn) 第一部分：試驗(yàn)方法》；
（5）斷口微觀分析：將6個(gè)斷裂螺栓經(jīng)超聲波清洗后放入掃描電鏡下進(jìn)行斷口微觀形貌觀察，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為JY/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 宏觀檢查
宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，所有螺栓均有紅褐色腐蝕產(chǎn)物和腐蝕坑，其中腐蝕產(chǎn)物主要分布在頭部以及螺桿靠近頭部的區(qū)域；經(jīng)超聲波清洗后在掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)所有螺栓表面均有明顯的點(diǎn)蝕坑，部分螺紋存在輕微磨損痕跡；觀察6個(gè)斷裂螺栓斷口，X1#～X6#螺栓均斷裂于頭下根部區(qū)域，斷面及斷口邊緣存在明顯可見的腐蝕坑，如圖2所示。

2.2.2 化學(xué)成分分析

使用能譜分析，檢測(cè)螺栓中主要合金元素含量，斷裂螺栓和未斷螺栓材料中主要合金元素均為Cr、Ni和Mo，其含量總體接近設(shè)計(jì)要求的06Cr17Ni12Mo2不銹鋼化學(xué)成分范圍，但Cr、Ni元素含量普遍偏低。

在X4#、X6#螺栓頭部合并鉆屑、在S1#、S5#和S6#合并鉆屑取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示；斷裂螺栓中除了Mo元素略微低于標(biāo)準(zhǔn)要求外，其余各元素均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)；未斷螺栓材料中各元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)；但材料中Cr和Ni的含量偏低，可能在一定程度上降低材料應(yīng)有的抗腐蝕性。

2.2.3 金相檢驗(yàn)

用線切割方式對(duì)所有螺栓進(jìn)行取樣，經(jīng)預(yù)磨、拋光并侵蝕后進(jìn)行金相檢，檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斷裂螺栓和未斷螺栓顯微組織均為孿晶奧氏體組織。

2.2.4 硬度測(cè)試

在所有螺栓的橫截面金相試樣上進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。斷裂螺栓硬度在238.8～244.0HB之間，硬度分布較為均勻，但超過
標(biāo)準(zhǔn)要求；未斷螺栓布氏硬度在239.2～303.8HB之間，硬度跨度較大，也超過了標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.5 斷口微觀分析

將所有螺栓經(jīng)超聲波清洗后放入掃描電鏡下進(jìn)行斷口微觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)6個(gè)斷裂螺栓均由腐蝕坑區(qū)域啟裂，在腐蝕坑之后裂紋以疲勞方式擴(kuò)展，并最終斷裂；此外，在6個(gè)螺栓頭部、頭下根部區(qū)域和螺桿區(qū)域均可見明顯的腐蝕坑形貌。

2.2.6 分析與討論

化學(xué)成分分析結(jié)果顯示，斷裂螺栓中Mo 含量略低于GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)06Cr17Ni12Mo2材料的化學(xué)成分要求，其余元素含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示，12個(gè)螺栓的顯微組織均為奧氏體等軸晶，伴有形變孿晶特征，說(shuō)明螺栓是經(jīng)冷加工變形滾制而成的；硬度測(cè)試結(jié)果顯示，斷裂螺栓和未斷螺栓的硬度均超過標(biāo)準(zhǔn)要求。

在螺栓斷口上未出現(xiàn)“先松后斷”的典型失效特征，這說(shuō)明螺栓斷裂與其是否存在松動(dòng)關(guān)系不大；6個(gè)斷裂螺栓表面和斷面上都存在較為明顯的點(diǎn)蝕坑，斷口上疲勞特征明顯，并且疲勞裂紋均由腐蝕坑區(qū)域啟裂，這說(shuō)明腐蝕在此次斷裂失效事件中起到了主要作用。X1#～X3#螺栓斷口腐蝕坑區(qū)域較大，推測(cè)為先失效螺栓，X4#～X5#螺栓斷口腐蝕坑區(qū)域很小，推測(cè)為后失效螺栓。

事實(shí)上，316不銹鋼材料在海水中的耐蝕性一般，其耐點(diǎn)蝕當(dāng)量（PRE值）僅為24，容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕等腐蝕問題。加之，與之存在電連接的口環(huán)和葉輪材料均為類似2507雙相不銹鋼材料，PRE值約為42，其耐蝕性明顯高于316奧氏體不銹鋼，兩者連接后形成了“大陰極小陽(yáng)極”腐蝕電偶對(duì)，導(dǎo)致螺栓更容易遭受腐蝕。當(dāng)螺栓腐蝕到一定程度后，在交變載荷作用下，裂紋從腐蝕坑處萌生擴(kuò)展最終發(fā)生疲勞失效。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論
綜上，本次事件造成口環(huán)螺栓斷裂失效的主要原因是316不銹鋼螺栓材料耐蝕性一般，在海水服役環(huán)境下容易出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕，加之與更耐海水腐蝕的雙相不銹鋼材料形成電連接和腐蝕電偶，進(jìn)一步惡化了螺栓材料的腐蝕行為。當(dāng)螺栓腐蝕到一定程度后，在交變載荷作用下最終發(fā)生了疲勞失效，導(dǎo)致螺栓斷裂。

3.2 建議

針對(duì)重要廠用水系統(tǒng)泵葉輪螺栓，或其他在海水中使用的緊固螺栓，腐蝕防護(hù)建議如下：
（1）螺栓的選用要充分考慮其所連接的材料的腐蝕電位，優(yōu)先選用腐蝕電位高的材料，避免產(chǎn)生“大陰極小陽(yáng)極”腐蝕模式；將泵葉輪口環(huán)螺栓更換為耐蝕性等級(jí)等于或高于2507雙相不銹鋼的材料，可有效減緩其電化學(xué)腐蝕；
（2）選用鉻、鉬、氮、鎳元素含量較高，硫、磷、碳等雜質(zhì)元素較低的不銹鋼螺栓，可以提高其在海水中的耐點(diǎn)蝕性能；
（3）若對(duì)材料強(qiáng)度有要求，只能采用電位低的螺栓時(shí)，必須采用絕緣墊片、密封膠等其他絕緣材料，避免兩種金屬材料接產(chǎn)，使螺栓產(chǎn)生電偶腐
蝕；
（4）316不銹鋼螺栓在海水環(huán)境下耐蝕性一般，容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕，可以采用有特氟龍等涂覆保護(hù)的螺栓，提高其耐蝕性。

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