某核電廠定位彈簧銷釘失效原因分析

胡苧尹 駱 抗 喬 澤 王儀美

（1. 中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430223；2. 中核凱利深圳核能服務股份有限公司，湖北 武漢 430223；3. 福建福清核電有限公司，福建 福清 350818）

0 引言

核電廠循環水系統的功能是通過兩條獨立的進水渠向每臺機組的冷凝器和輔助冷卻水系統提供冷卻水（海水）。二次濾網是布置在循環水系統中，用于除去凝汽器循環水側涵道中的海生物以及渣屑， 減少雜質對凝汽器內鈦管的損壞，避免大功率波動產生安全風險，是保證凝汽器和汽輪機組安全運行的重要設備[1,2]。銷釘是機械中常見的緊固件之一，其作用是防止兩個零件的相對位置錯動，在實際工程中很多承載構件都制成螺栓或銷釘連接構件的形式[3,4]。在實際運行過程中，部件與銷釘定位接頭之間采用螺紋裝配配合焊接等連接方式，易于產生應力集中而失效，或受到多次重復變化的載荷作用后，在交變載荷重復作用下由于疲勞而產生材料和結構的破壞[5,6]。

某核電廠大修期間發現循環水系統二次濾網減速器與主軸組件之間的4組定位彈簧齒形圓柱銷釘中存在裂紋，其服役環境為室內干燥大氣，濕度低，非加熱空間，不發生冷凝，大氣中腐蝕性污染物水平低，無特殊腐蝕性物質如SO2等，環境導致腐蝕的風險低，服役時間大約為11個月。經反饋，運行期間二次濾網減速機可能滲漏海水，從而導致彈簧銷釘腐蝕。本文結合宏觀檢查、成分分析、金相分析、硬度測試、SEM和EDS等技術手段對彈簧銷釘產生裂紋的原因進行了系統分析，并根據分析結果提出了建議措施。

1 試驗

1.1 宏觀形貌

失效定位彈簧銷釘原始形貌如圖1所示，從左到右分別標記為1#～4#銷釘，其中1#及2#存在裂紋。利用體視顯微鏡對1#～4#彈簧銷釘頂部（內銷彈出側）及底部照片逐個觀察，發現實際有3個存在開裂，其裂紋所在部位如圖2所示， 1#、2#銷釘外銷由端部開裂，沿縱向未貫穿，沿截面貫穿；2#、3#銷釘內銷開裂，其中2#由中部開裂，沿截面貫穿、沿縱向未貫穿；3#由端部開裂，沿截面完全貫穿、縱向貫穿約2個齒距；4#銷釘未開裂。由圖2彈簧銷釘端部照片可知，內外銷釘開槽的安裝角度均小于90°。將彈簧銷釘沿截面切開，1#～4#銷釘觀察截面如圖3所示，可以看出，1#彈簧銷釘外銷及內銷安裝角度約為76°，2#彈簧銷釘外銷及內銷安裝角度約為22°，3#彈簧銷釘外銷及內銷安裝角度約為39°，4#彈簧銷釘外銷及內銷安裝角度約為32°。設計要求彈簧銷釘開口安裝配合角度為90°～180°，因此4組彈簧銷釘外銷和內銷的配合角度均不滿足圖紙設計要求，可能會導致應力集中。

圖1 失效定位彈簧銷釘宏觀形貌

圖2 彈簧銷釘體視照片（箭頭所指為裂紋位置）

圖3 1～4#彈簧銷釘截面照片

1.2 成分分析

銷釘規格為Ф16mm，材質為調質彈簧用熱軋鋼，牌號51CrV4（1.8159）。依據GB/T 20123-2006《低合金鋼多元素的測定電感耦合等離子體發射光譜法》，利用碳硫分析儀對1#及4#彈簧銷釘碳和硫元素進行分析，并利用電感耦合等離子體發射光譜儀對1#及4#彈簧銷釘其余元素進行分析，將檢測結果與EN 10289《調質彈簧用熱軋鋼》標準要求的51CrV4成分對比，如表1所示。由表可知，彈簧銷釘成分滿足EN 10289-2002的要求。

表1 1#及4#彈簧銷釘成分分析結果

1.3 金相分析

依據GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》制備試樣，采用4%硝酸酒精作為腐蝕劑，將1#彈簧銷釘經切割、鑲嵌、磨拋、腐蝕后在金相顯微鏡下觀察橫截面金相組織，如圖4所示，1#外銷和內銷金相組織均為均勻且細小的回火托氏體組織，金相組織無異常。

圖4 1#彈簧銷釘金相組織照片（500×）

觀察1#外銷開裂位置截面金相組織，結果如圖5所示，可以看出，在截面方向上，1#外銷由外側開裂，向內側方向擴展約2/3壁厚后發生偏轉，直至完全貫穿，擴展方向上可觀察到二次裂紋。擴展開裂位置未發現脫碳、組織偏析等，裂紋金相組織無 異常。

圖5 1外銷裂紋金相照片（50×）

1.4 硬度檢測分析

采用GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》對1#和4#彈簧銷釘的外銷和內銷進行維氏硬度測試，并依據GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》，對維氏硬度結果進行換算，結果如表2所示。送檢彈簧銷釘洛氏硬度在46～48之間，硬度值與EN 10289-2002《調質彈簧用熱軋鋼》標準規定值相比無異常。

表2 1#及4#彈簧銷釘硬度結果

1.5 SEM及EDS分析

利用掃描電鏡觀察銷釘斷口微觀形貌，圖6和圖7為2#彈簧銷釘外銷的斷口微觀形貌照片，其中圖6為斷口整體形貌，可看到斷口整體平齊，無頸縮等宏觀塑性斷裂特征，將斷口分為A～C三個區域進行觀察。如圖7A區可觀察到局部放射性特征，為裂紋源區，裂紋源芯部為脆性斷口；B區為裂紋沿截面方向的擴展區，斷口呈冰脆性斷裂特征；C區為沿縱向的裂紋擴展區，此區域表面附著有大量的腐蝕產物。

圖6 2#彈簧銷釘外銷斷口整體微觀形貌

圖7 2#彈簧銷釘外銷斷口分區微觀形貌

為了確定定位彈簧銷釘斷口腐蝕產物的成分，按照如圖6所選取典型區域（A、B、C區）用能譜分析儀對腐蝕產物進行 EDS 分析，結果如表3所示。表3為圖6中A、B、C區域中元素分析結果，結果顯示C區域腐蝕產物中所含元素主要為O、Fe，A區存在少量S元素，C區中存在少量Cl及S元素。Cl和S元素為活性元素，對材料有較強的腐蝕作用。

表3 2#彈簧銷釘外銷A、B、C區EDS分析結果

應力腐蝕過程是金屬材料、腐蝕介質和拉應力三個因素共同作用，使金屬電化學腐蝕加劇并產生破裂的過程，包括孕育、擴展和潰裂三個階段。Cl應力腐蝕開裂機理為介質中Cl的吸附，導致金屬表面應變能降低引起開裂。由于二次濾網可能存在海水泄漏，因此彈簧銷釘的服役環境中有Cl等侵蝕性離子的存在。應力來源于冷變形、焊接和金屬加工殘余應力等，這些應力的產生使金屬內部組織的穩定性得到了破壞，晶粒在應力方向的作用下導致位錯移動而形成滑移臺階，這些滑移臺階的構成給Cl帶來了吸附和滲透的機會[7]。另外，Mn促進有害元素S、P等向晶界偏析，從而使晶界鍵合力下降，也會導致金屬材料產生應力腐蝕破裂的敏感性升高[8]。

2 結果與討論

總結針對失效定位銷釘的各測試分析結果 如下：

（1）4組彈簧銷釘中有3組發生開裂，其中1組為外銷和內銷同時開裂，1組為外銷開裂，1組為內銷開裂；

（2）送檢銷釘的內外銷開槽的角度均小于90°，不滿足設計要求的90～180°；

（3）送檢的彈簧銷釘成分滿足EN 10289《調質彈簧用熱軋鋼》標準要求，金相組織、夾雜物、脫碳層及硬度結果無異常；

（4）裂紋區金相結果顯示銷釘由外側開裂，在截面沿內側擴展；擴展開裂位置未發現脫碳、組織偏析等，裂紋金相組織無異常，未發現原始微裂紋等缺陷；

（5）斷口分析結果顯示彈簧銷釘發生了脆性開裂，腐蝕產物主要為Fe和O，同時還存在少量S和Cl，這些元素對彈簧銷釘具有腐蝕性。

結合斷口分析結果及彈簧銷釘服役環境判斷，送檢彈簧銷釘是由于應力腐蝕開裂發生的失效，原因如下：

（1）根據彈簧銷釘結構判斷，安裝后的銷釘外表面承受拉應力（如圖8所示），局部承受的應力可能大于其屈服強度；

圖8 彈簧銷釘安裝前后受力示意圖（未考慮局部受力狀態）

（2）彈簧銷釘外表面被腐蝕，斷口腐蝕產物中檢測出S、Cl腐蝕性元素，表明銷釘處于腐蝕性環 境中；

（3）高強度銷釘在拉應力狀態和腐蝕性環境共同作用下，發生脆性斷裂為主的應力腐蝕開裂。

綜上所述，彈簧銷釘在較大的拉應力狀態下與腐蝕性介質接觸，由外側發生應力腐蝕開裂最終｜失效。

3 結論與建議

發生失效的彈簧銷釘成分滿足標準要求，金相組織、硬度等分析結果無異常；其斷裂性質為服役時的拉應力狀態并與腐蝕介質接觸導致的應力腐蝕開裂。后續建議措施如下：

（1）檢查處于相同服役環境的銷釘，及時清理漏到銷釘安裝部位的殘留侵蝕介質，避免材料處于腐蝕性環境，并對發現問題的銷釘進行更換；

（2）安裝時應依據其設計要求，內銷和外銷安裝角度應控制在90～180°范圍內。