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。
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%。
| 试样及标准 | 质量分数/% | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | S | Si | Mn | P | Cr | Mo | H | |
| 开裂螺栓 | 0.41 | <0.010 | 0.22 | 0.78 | 0.013 | 1.04 | 0.17 | 0.000 02 |
| 未开裂螺栓 | 0.41 | <0.010 | 0.22 | 0.76 | 0.013 | 1.01 | 0.18 | 0.000 03 |
| 42CrMoA钢标准 | 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级螺栓标准 | 0.30~0.50 | ≤0.025 | - | - | ≤0.025 | - | - | - |
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。
| 试样及标准 | 硬度/HB | ||
|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | |
| 开裂螺栓 | 388.2 | 385.0 | 382.5 |
| 未开裂螺栓 | 385.1 | 379.8 | 388.2 |
| 12.9级螺栓标准 | 380~429 | ||
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。
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。
