緊固件在核電設備的結構完整性方面發(fā)揮著重要作用,隨著設備強度水平提高及輕量化發(fā)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(nèi)核電廠已發(fā)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(huán)境中,高強度緊固件還是會發(fā)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(guī)島的各種設備和構筑物,并通過熱交換將電廠產(chǎn)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(guī)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(chǎn),表面經(jīng)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(fā)現(xiàn)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(nèi)。開裂螺栓表面鋅鍍層局部已經(jīng)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。
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(shù)分別為0.000 02%和0.000 03%。
| 試樣及標準 | 質量分數(shù)/% | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | S | Si | Mn | P | Cr | Mo | H | |
| 開裂螺栓 | 0.41 | <0.010 | 0.22 | 0.78 | 0.013 | 1.04 | 0.17 | 0.000 02 |
| 未開裂螺栓 | 0.41 | <0.010 | 0.22 | 0.76 | 0.013 | 1.01 | 0.18 | 0.000 03 |
| 42CrMoA鋼標準 | 0.38~0.45 | ≤0.020 | 0.17~0.37 | 0.50~0.80 | ≤0.020 | 0.90~1.20 | 0.15~0.25 | - |
| 12.9級螺栓標準 | 0.30~0.50 | ≤0.025 | - | - | ≤0.025 | - | - | - |
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。
| 試樣及標準 | 硬度/HB | ||
|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | |
| 開裂螺栓 | 388.2 | 385.0 | 382.5 |
| 未開裂螺栓 | 385.1 | 379.8 | 388.2 |
| 12.9級螺栓標準 | 380~429 | ||
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。
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。
