胡斌 徐科 徐柱

摘  要：管道法兰螺母开裂脱落，通过开裂口外观检查、宏观和微观分析、材料化学成分分析，保证载荷测试、硬度测试和显微组织测试等手段对法兰螺母开裂的原因进行了分析。结果表明：失效螺母的化学成分满足要求，但是碳含量远远偏离标准规定值。螺母表面宏观可见锻造成型不良缺陷;金相组织为铁素体+珠光体;保证载荷和硬度检验结果均不满足要求;螺母断口的微观形貌呈韧窝断裂，为螺母强度不足导致开裂。

关键词：螺母  开裂  测试  质量

中图分类号：TM623           文献标识码：A                  文章編号：1674-098X（2021）01（b）-0017-05

Cause Analysis of Flange Nut Cracking of Sump Drain Pump Outlet Pipe in Nuclear Power Plant

HU Bin  XU Ke  XU Zhu

（CNNP Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.， Jiaxing， Zhejiang Province，314300 China）

Abstract： The pipe flange nut cracked and fell off， and the reasons for the flange nut cracking were analyzed by means of cracking appearance inspection， macro and micro analysis， material chemical composition analysis， guarantee load test， hardness test and microstructure test. The results show that the chemical composition of the failed nut meets the requirements， but the carbon content is far from the standard value. Macroscopically visible defects caused by forging on the nut surface; the metallographic structure is ferrite + pearlite; ensure that the load and hardness test results do not meet the requirements; the microscopic appearance of the nut fracture is dimple fracture， which is caused by insufficient nut strength.

Key Words： Nut; Cracking; Test; Quality

核电厂排污系统地坑排水泵出口管道法兰螺母脱落，现场检查人员在设备附近的地面上发现脱落的螺母，部分螺母出现肉眼可见的贯穿裂纹。随后抽查了小部分在役的同批螺母，也在螺母上发现有了贯穿裂纹。

经调查研究，该批次螺母用于核电厂3号机组排污系统地坑排水泵出口管道法兰， 该管道法兰安装完成才2个多月，约使用1200个螺母，到检测时，螺母仅在役使用约1200h。该螺母是性能等级10级的M16粗牙螺母，初步怀疑该批次螺母存在质量问题，为了确定开裂的主要原因，开展了详细的失效原因分析。

1  测试与分析

为进一步确认法兰螺母的开裂原因，分别对法兰螺母进行显微观察：体视显微镜、SEM、金相显微镜;同时，开展了以下测试：化学成分、保证载荷、硬度、通规/止规。

1.1 体视显微镜观察

冷镦工艺是一种利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，并借助于模具，使金属体积作重新分布及转移，从而形成所需要的零件或毛坯的加工方法。六角螺母是一种使用很广的紧固件，M24以下规格的螺母普遍采用冷镦方法生产，其主要缺陷包括裂纹、材料缺损和折叠。

选取了5个开裂后的螺母和5个没有开裂的螺母，针对10个使用后的螺母的支撑面和六方面进行了体视显微镜观察，检查结果表明：所观测的10个螺母上均存在不同程度的缺陷：凹陷（材料缺陷）和裂纹，详见图1）。一般来说，在螺母出厂和安装时均会对螺母的表面状况进行观察，这些缺陷不是初始的宏观缺陷，经分析认为，该部位存在原始微缺陷，并在使用时受紧固力张开及扩展，最终致螺母裂开。

1.2 化学成分分析

依照GB/T 4336-2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》对1个开裂螺母和1个使用后未开裂螺母进行化学成分测试，测试结果如表1所示。

对于此类碳钢材质的螺母，GB/T 3098.2-2015《紧固件机械性能螺母》对性能等级10级的粗牙螺纹的螺母的化学成分（C、Si、Mn、P、S）进行了规定，如表1中的标准值。对比发现无论是开裂螺母还是使用后未开裂螺母的化学成分值基本一致，C、Si、Mn、P、S均满足要求。但其碳元素（C）的含量为～0.1%，与标准规定值（≤0.58%）偏离较大。

1.3 保证载荷测试（使用后未开裂螺母）

GB/T 3098.2-2015《紧固件机械性能螺母》保证载荷验收标准：沿螺母轴线方向施加保证载荷，并持续15s，螺母应能承受该载荷而不得脱扣或断裂，如图2。当卸载后，应能用手将螺母旋出，或借助扳手松开螺母，但不得超过半扣。对性能等级10级的M16粗牙螺母要求：在保证载荷值164.9kN条件下保持15s，并且可用手旋出。

依照GB/T 3098.2-2015《紧固件机械性能螺母》对使用后未开裂螺母进行保证载荷试验，测试结果如表2所示。

1号螺母在140.5kN时螺母脱扣，载荷<164.9kN;

2号螺母在118.3kN时螺母脱扣，载荷<164.9kN;

3号螺母在140.4kN时螺母脱扣，载荷<164.9kN。

因此，3个测试螺母均不满足性能等级10级的M16粗牙螺母的性能要求。

1.4 硬度测试

依照GB/T 3098.2-2015《紧固件机械性能螺母》对螺母的纵截面进行维氏硬度测试，其中1号螺母的硬度均值为234HV，2号螺母的硬度均值为250HV，3号螺母的硬度均值為224HV。而性能等级10级的M16粗牙螺母规定的维氏硬度最小值为272HV。因此3个测试螺母均不满足性能等级10级的M16粗牙螺母的性能要求，见表3。

1.5 显微组织测试及夹杂检验

1.5.1 显微组织测试

依照GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》对螺母进行显微组织测试。螺母的显微组织均表现为铁素体+少量珠光体组织，见图3。由图可见，螺母断面-外表面存在镦制裂纹（拉长状组织）和折叠缺陷，断裂模式主要为穿晶断裂。

1.6 断口微观形貌分析

将8号开裂螺母沿图4所示方向打开裂纹面，进行扫描电镜观察，打开后的断口宏观形貌图见图5。图中A-D区为螺母断面，E区是螺母的六方面。

断面A区微观形貌，可见为剪切韧窝形貌，韧窝呈拉长形态;

断面B区微观形貌，滑移带+局部韧窝形貌;

断面C区微观形貌，表面可见覆盖物，局部可见韧窝形貌;

断面D区微观形貌，可见为剪切韧窝形貌。

该螺母六方面可见纵向贯穿裂纹，观察图5螺母断口的整体形貌，结合A-D区的微观组织，螺母裂纹于C区萌生，有C区至B区扩展，最终在A区断裂。螺母微观组织呈韧窝形貌表明其开裂模式为过载开裂。

2  检查结果分析

（1）所提供的10个螺母中，5个螺母宏观观察未见缺陷（开裂）——使用后未开裂螺母，5个螺母存在开裂——开裂螺母。

（2）螺母的保证载荷和硬度不满足GB/T 3098.2-2015《紧固件机械性能  螺母》规定的10级螺母的性能要求。

·螺母在140.5kN、118.3kN、140.4kN时脱扣，不满足在164.9kN条件下保持15s的要求;

·螺母维氏硬度为234HV、250 HV、224 HV，低于10级螺母的硬度值下限（272HV）。

（3）对使用后未开裂螺母进行通止规检查，1号和2号螺母通止规检验合格;3号螺母通止规检验不满足要求，也就是说使用后的螺母螺牙存在变形。

（4）螺母的化学成分满足GB/T 3098.2-2015《紧固件机械性能  螺母》规定，但是碳元素含量低于0.1%（标准规定≤0.58%），较低的碳含量使螺母组织组成为铁素体（大量）+珠光体（少量），导致硬度偏低和强度不足。

（5）螺母的显微组织为铁素体+少量珠光体组织，未见其它异常组织。但是，按GB/T 3098.2标准规定10级螺母需进行淬火+回火处理，得到强度和韧性较好的组织，如回火索氏体等。根据失效螺母碳含量和组织可以推测，本次失效螺母未进行淬火+回火处理，或者因碳含量偏低（0.1%）虽经热处理但未获得理想的组织。

（6）8号螺母整个断口的微观形貌呈韧窝状，为过载开裂。

（7）体式显微观察和金相检验均发现螺母端面存在镦制裂纹和折叠。

3  结语

核电厂排污系统地坑排水泵出口管道法兰安装，约使用1200个M16的粗牙螺母，性能等级为10级，材质为碳钢。螺母仅在役使用约1200小时就出现螺母脱落情况，部分螺母存在贯穿裂纹。

根据螺母检查结果可知，失效螺母的化学成分满足要求，但是碳含量远远偏离标准规定值（≤0.58%）。螺母表面宏观可见锻造成型不良缺陷;金相组织为铁素体+珠光体;保证载荷和硬度检验结果均不满足（10级螺母）要求;螺母断口的微观形貌呈韧窝断裂，为螺母强度不足导致开裂。综上分析，失效螺母开裂的原因为：

1）螺母材料含碳量过低，且不含有其他强化合金元素，螺母硬度、保证载荷试验均不合格，不满足GB/T3098.2标准10级螺母规定。

2）螺母在锻造过程中存在有锻造成型不良等缺陷，螺母端面的镦制裂纹和折叠在使用过程中为应力集中源，最终导致开裂扩展及断裂。

参考文献

[1] 东晓林，时小军等.螺纹紧固件腐蚀防护技术的应用现状[J].电镀与涂饰，2016：481-485.

[2] 涂文兵，何海斌，等.螺纹深度和螺距对螺纹连接强度影响的有限元分析[J].华东交通大学学报，2017：118-123.

[3] [1]张涛.五金紧固件锌铝复合涂层及其防腐蚀性能[J].腐蚀与防护，2015，36（06）：560-562+568.

[4] 储火，石小岗.螺栓轴力超声波测量技术中残余轴力的测量方法[J].精密成形工程，2017：119-124.

[5] 刘鹏.高强度紧固件用涂层的耐蚀性[J].腐蚀与防护，2019：890-891.

[6] 王晓斌，严星，等.拧螺栓和拧螺母对螺纹轴向预紧力的影响研究[J].制造技术与机床，2019：191-192.