某核电厂循泵联轴器螺母开裂失效原因分析

2023-01-30胡明磊杨琪震胡则栋

全面腐蚀控制 2022年12期

胡明磊徐科杨琪震胡斌胡则栋

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

0 引言

本次失效部件为循环水泵中间轴联轴器上两颗铰孔螺栓的螺母，该区域部件运行介质为开式工业水，温度为常温，压力为0.1MPa。联轴器左右两侧部件是由12对M24的螺母和铰孔螺栓连接，螺母设计材质为1Cr17Ni2。该批联轴器螺母使用时间不足一年即发生断裂，循泵吸水室墙壁内出现异音，解体检修后发现其中一个螺母断裂成5片碎块，另一个螺母表面存在6条肉眼可见的裂纹。

1 理化试验

1.1 宏观观察

图1为两颗失效螺母的宏观形貌图。左侧为失效螺母1，已碎成5块，局部区域有材料损失并有明显的冲蚀痕迹；右侧为失效螺母2，保持完整的螺母结构，其表面出现裂纹。从图1中可以观察到失效螺母1中5块螺母试样（1-1～1-5）上均有锈迹，断口较平齐，表面局部区域锈蚀，其中1-3螺母试样有一个长度约5mm的未贯穿裂纹，裂纹区域打开后断口已腐蚀。失效螺母2虽保持完整的螺母结构，但其底面有6条肉眼可见的裂纹，并沿螺母轴向方向向上方面扩展，形成2条贯穿裂纹和4条未贯穿裂纹。打开其中一条贯穿裂纹后，其断口平齐，局部区域已腐蚀。

图1 两颗失效螺母宏观形貌

1.2 化学成分分析

依据GB/T 11170-2008 《不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》检测失效螺母的C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni等7种元素，测试结果和要求值如表1所示。可以看出，失效螺母1和失效螺母2的化学成分均满足GB/T 1220-2007《不锈钢棒》对1Cr17Ni2的成分要求，化学成分测试结果合格。

表1 螺母化学成分测试结果（wt%）

1.3 硬度测试

依据GB/T 4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》对失效螺母进行维氏硬度检测，测试结果如表2所示。同时，GB/T 1220-2007《不锈钢棒》未规定淬火回火后1Cr17Ni2试样的硬度，但要求其抗拉强度不低于1080MPa。由表2可知，失效螺母1的硬度为367HV，换算为抗拉强度后约1170MPa，失效螺母2的硬度为370HV，换算为抗拉强度后约1180MPa，两颗螺母转化后的抗拉强度均满足GB/T 1220-2007《不锈钢棒》对1Cr17Ni2的强度要求。

表2 螺母硬度测试结果

1.4 非金属夹杂物

依据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定－标准评级图显微检验法》，在失效螺栓上取样、镶嵌、打磨、抛光后在显微镜下评判其非金属夹杂物等级，如图2和表3所示。失效螺母1的非金属夹杂物等级为B2.0、D0.5，失效螺母2的非金属夹杂物等级为B1.5、D0.5、DS0.5。B类夹杂物的方向与螺母轴向方向一致。GB/T 1220-2007对1Cr17Ni2的非金属夹杂等级未做具体要求，但从结果上看失效螺母局部位置的B类夹杂物较多。

图2 失效螺母非金属夹杂物测试结果

表3 失效螺栓非金属夹杂物测试结果

1.5 显微组织

依据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》，在失效螺栓上取样、镶嵌、打磨、抛光、腐蚀后在显微镜下观察其显微组织，结果如图3所示。失效螺母1和失效螺母2的显微组织为回火索氏体、长条状的铁素体和颗粒状碳化物组成，长条状铁素体方向与螺母轴向方向一致[1]。

图3 失效螺母显微组织

1.6 微观观察

各选取失效螺母1和失效螺母2的一块试样进行断口微观形貌观察，结果如图4所示。图4（a）、图4（b）和图4（c）是失效螺母1的断口形貌，图4（a）和图4（b）是原始断口区，整体呈沿晶开裂形貌，部分区域表面覆盖腐蚀产物，晶粒沿螺母纵向呈条带状分布；4（c）是人为拉断区，整体呈韧窝形貌，韧窝内部有析出颗粒，总体沿螺母纵向呈条带状特征。4（d）是失效螺母2的断口形貌，以沿晶形貌为主，晶粒沿螺母纵向呈条带状分布，局部有沿晶二次裂纹。两颗失效螺母的微观形貌特征基本一致，启裂区覆盖了腐蚀产物，扩展区和终断区呈沿晶形貌，人为拉断区呈韧窝形貌。

图4 失效螺母微观形貌

1.7 能谱测试

选取失效螺母1的其中一块试样断面进行能谱测试，结果如表4所示。能谱检测出了一定量的S元素，来源为在螺母服役时由外部环境引入。同时发现谱图2、谱图4、谱图5的Cr元素高于1Cr17Ni2的平均Cr元素含量，说明形成了富Cr的析出相。

表4 失效螺母1试样能谱测试

选取失效螺母2的其中一块试样断面进行能谱测试，结果如表5所示。谱图6、谱图8、谱图9的Cr元素高于1Cr17Ni2的平均Cr元素含量，也说明形成了富Cr的析出相。

表5 失效螺母2试样能谱测试

2 失效原因分析

核电厂的一台海水循环水泵在日常运行时出现异音，解体后发现其联轴器的两颗螺母断裂失效。螺母设计材质为1Cr17Ni2（搭配0Cr17Ni4Cu4Nb的螺栓），是马氏体不锈钢中强度与韧性搭配较好的一种钢种，具有较高的强度和硬度。两颗失效螺母的化学成分均满足GB/T 1220-2007《不锈钢棒》对1Cr17Ni2的成分要求，硬度换算为强度后也满足标准中的强度要求，非金属夹杂中B类夹杂物较多，显微组织为回火索氏体、长条状的铁素体和颗粒状碳化物组成。微观形貌上启裂区覆盖了腐蚀产物，扩展区和终断区呈沿晶特征，能谱结果中发现断口含一定量的S元素，为螺母服役时由外部环境引入，局部位置的Cr元素高于1Cr17Ni2的Cr元素含量，说明形成了富Cr的析出相。

通过调查发现标准中螺母毛坯采用锻件，加工后进行950～1050℃油淬+275～350℃空冷并进行无损检测，但螺母实际的热处理工艺为1020℃油淬+580℃空冷，与设计要求不符。螺母组织存在缺陷，材料综合性能下降，螺母设计材料为1Cr17Ni2马氏体不锈钢，在400～580℃区间存在回火脆[2-3]，沿晶界析出碳化物和较多的铁素体降低了材料的塑性和冲击韧度，增加了材料沿晶开裂的风险。能谱结果发现螺母显微组织中存在富Cr碳化物析出，同时螺母组织中的其他区域会形成贫Cr区，贫Cr区会降低的螺母的耐腐蚀性能[4]。螺母断口表面含一定量的S元素，为螺母服役时由外部环境引入，该循泵联轴器螺母服役环境为开式工业水环境，该环境对水质中的S离子要求不严，而S离子是促进材料应力腐蚀开裂的有害元素之一，1Cr17Ni2不锈钢的应力腐蚀恰好对这两种元素尤其敏感，故螺母在服役过程中受S离子和静应力作用发生应力腐蚀开裂，微观形貌呈沿晶开裂特征。