某核電廠不銹鋼螺栓開裂原因分析

李曉蔚,張志明,郭 凱,孔晨光,李心剛

(大亞灣核電運營管理有限責任公司，深圳 518000)

緊固件在核電廠系統和設備中大量使用，承擔了承壓密封、部件連接和支承固定等功能，其質量與性能對核電廠系統和設備的服役性能有著重要影響，一旦出現失效問題，可能會帶來嚴重的安全隱患，甚至影響電站的安全運行。在諸多緊固件中，螺栓、螺母的用量最大。螺栓連接是工程中應用最廣泛的一種可拆連接，特別是高強螺栓，由于其體積小、聯接剛度大、聯接質量有保證而被廣泛應用[1]。工作時螺栓主要承受拉應力和剪切應力。應用于發動機或驅動轉子上的螺栓，受力則更為復雜，在服役過程中除受到預緊拉應力外，還要承受周期性的脈動載荷和沖擊載荷。因此，在這種環境中工作的螺栓，除了一定的強度和韌性外，還要具備較高的疲勞強度[2-3]。

核電站大多建在沿海地區，受海洋大氣環境的影響，螺栓材料多采用耐蝕性較好的不銹鋼。在服役過程中，部分螺栓受交變載荷的作用，其發生疲勞失效的可能性增大，同時部分螺栓還會受到苛刻服役環境的影響，發生腐蝕疲勞斷裂，這會給工程造成更為嚴重的后果[4-5]。疲勞失效一般受到材料、應力狀態和服役環境的影響[6-8]。此外，高溫服役的緊固件會受到溫度變化的影響，冷熱交替過程引起的熱應力也會造成材料的熱疲勞失效。

某核電廠Z2CND17.12不銹鋼螺栓發生開裂失效，為了解螺栓開裂失效的原因，本工作對失效螺栓進行了理化檢驗，避免同類事故再次發生。

1 理化檢驗與結果

1.1 宏觀形貌

圖1是開裂螺栓整體的宏觀形貌。可見，螺栓呈金屬光澤，沒有明顯的腐蝕產物，在螺栓第一個螺牙處發生肉眼可見的開裂，整個螺栓橫截面的80%已經開裂，斷口基本與螺牙平行。仔細觀察螺栓的其他部位，發現有兩處相對較輕的裂紋。螺栓的另外一端無開裂現象。

圖1 開裂螺栓的宏觀形貌Fig. 1 Macrograph of cracked bolt

1.2 化學成分

參照GB 4336-2016《碳素鋼和低合金鋼 多元素含量測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》標準對開裂螺栓的化學成分進行測定，結果見表1。由表1可見，開裂螺栓的化學成分符合RCCM M3306《用于1、2、3級設備的奧氏體不銹鋼鍛造或軋制棒材和半成品件》標準對Z2CND17.12不銹鋼的規定。

表1 開裂螺栓的化學成分(質量分數)Tab. 1 Chemical composition of cracked bolt (mass fraction) %

1.3 微觀組織

從螺栓未開裂處及螺牙底部開裂處取樣，采用光學顯微鏡觀察其顯微組織，結果如圖2和圖3所示。由圖2可以看出，該螺栓組織由奧氏體晶粒和孿晶組成，是典型的奧氏體不銹鋼組織，且組織均勻，晶粒度為7級，平均晶粒尺寸約30 μm。由圖3(a)可以看出，螺牙底部有裂紋萌生，裂紋的長度達到毫米級，裂紋的擴展方式為穿晶型。由圖3(b)可以看出，部分晶粒內有駐留滑移帶(PSBs)形成。

1.4 斷口形貌

采用掃描電鏡(SEM)觀察開裂螺栓的斷口形貌，如圖4所示。可以看出，裂紋從螺栓的螺牙底部開始起裂，裂紋起源的區域已經被磨平，沒有明顯的疲勞條帶特征；在裂紋擴展區可以看到呈一簇一簇弧狀分布的疲勞條帶，以及與疲勞條帶平行的二次裂紋；螺栓人工掰斷的區域為韌性斷裂，可以看到明顯的韌窩特征。從疲勞條帶的分布可知，疲勞條帶之間的間距很小，兩條條帶之間的間距是裂紋在兩個疲勞周次間擴展的距離，因此該螺栓的裂紋擴展速率較慢。從螺栓的服役條件可知，該螺栓服役年限已長達20 a，且受到的應力也不大，屬于高周疲勞斷裂。

圖2 開裂螺栓未開裂處的顯微組織Fig. 2 Microstructure of un-cracked area of cracked bolt

(a) 縱截面

(b) 橫截面圖3 開裂螺栓螺牙底部的顯微組織Fig. 3 Microstructure of the screw root bottom of cracked bolt: (a) longitudinal section; (b) cross section

采用能譜儀(EDS)對斷口裂紋起源區A處和擴展區B處進行成分分析，結果如表2所示。可以看出，裂紋起源區域氧含量高，而裂紋擴展區氧含量較低。這說明裂紋的起源區經歷了很長時間的氧化，從側面反映了裂紋擴展速率很慢，螺栓經歷了長時間的裂紋擴展。

(a) 裂紋起源區 (b) 裂紋擴展區 (c) 疲勞條帶 (d) 韌窩 圖4 開裂螺栓的斷口形貌Fig. 4 Morphology of fracture of cracked bolt: (a) crack origin zone; (b) crack propagation zone; (c) fatigue striations; (d) dimples

表2 開裂螺栓斷口的EDS分析結果(質量分數)Tab. 2 EDS analysis results of fracture of cracked bolt (mass fraction) %

1.5 位錯結構

將開裂螺栓分為三個區域，如圖5所示，區域1與2為開裂螺牙的兩側部位，區域3為遠離開裂螺牙的另一端。在場發射透射電鏡(TEM)下對不同位置的螺栓試樣進行觀察，分析不同區域的位錯形貌，結果如圖6所示。

從圖6中可以發現，區域1處位錯密度最大，且存在明顯的一簇一簇的駐留滑移帶，這是周期性應力加載造成的，與圖3中看到的駐留滑移帶是吻合的；區域2處位錯密度比區域1處略低，有少量的駐留滑移帶；區域3處位錯密度最低。這說明區域1、2受到明顯的疲勞循環應力的影響，而區域3基本沒有受到影響。由于316奧氏體不銹鋼的層錯能較低，即使不受循環應力的影響也會存在一定量的位錯。

圖5 透射電鏡分析的取樣位置Fig. 5 Sampling locations for TEM analysis

2 分析與討論

由上述結果可知，螺栓開裂的原因為循環載荷引起的疲勞斷裂，且疲勞斷口發生了比較明顯的氧化，說明裂紋經歷長時間擴展后才發生開裂，而非瞬間斷裂。在開裂螺牙橫截面的顯微組織中有駐留滑移帶形成，而駐留滑移帶的形成和加深是疲勞裂紋萌生的重要方式。

一般情況下，金屬的疲勞破壞可以大致分為疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴展和失穩斷裂三個階段。疲勞裂紋萌生一般都是由應變集中引起的，常見的裂紋萌生方式包括滑移帶開裂，晶界或孿晶界開裂，夾雜物、相界或第二相與基體的界面開裂。其中，滑移帶開裂是材料疲勞裂紋萌生最為常見的方式。可以說，疲勞裂紋的萌生是材料局部區域薄弱環節的表現，而滑移帶則是疲勞過程中形成的最常見的薄弱環節。

(a) 區域1(b) 區域2(c) 區域3圖6 開裂螺栓不同區域的透射電鏡圖Fig. 6 TEM images of different areas of cracked bolt: (a) area 1; (b) area 2; (c) area 3

駐留滑移帶的形成一般需經歷三個過程：首先是由于材料塑性變形未發生回復，產生滑移線；隨著滑移線的不斷增多與積累，形成滑移帶；當加載周期不斷延長時，滑移帶因位錯、層錯等微觀缺陷的逐漸積累而無法回復，最終形成駐留滑移帶。駐留滑移帶在金屬表面或內部駐留下后，無法通過拋光等方法消除，而一般的滑移帶能用機械拋光、電解腐蝕等方法消除。疲勞裂紋是在這些駐留滑移帶的基礎上進一步加深而萌生的[9-11]。在循環載荷下，駐留滑移帶形成的主要方式是通過滑移線的擠入和擠出作用，如圖7所示。駐留滑移帶是疲勞裂紋萌生的轉折點，一旦駐留滑移帶在材料中大量形成，疲勞裂紋萌生的可能性將大大增加。在該開裂螺栓的斷口附近也發現了大量的駐留滑移帶，這些滑移帶的形成就是潛在裂紋的形成，其產生、發展的過程與裂紋萌生的過程緊密相連。需要說明的是，該開裂螺栓材質為Z2CND17.12不銹鋼，其組織中含有一定量的孿晶，在光學顯微鏡下呈直線狀，每個晶粒內僅有數個，且往往成對出現，但駐留滑移帶形成一般都是在一個晶粒內部一簇一簇出現，數量明顯多于孿晶。

圖7 疲勞試樣表面駐留滑移帶的形成示意Fig. 7 Schematic diagram of formation of persistent slip bands in fatigue sample surface

按照裂紋擴展的形態,疲勞裂紋的擴展過程可以分為兩個階段。裂紋擴展的第一階段在斷口上留下的痕跡較少或不明顯，而第二階段在斷口上往往留下河流樣的平行帶狀花紋，即疲勞條帶。裂紋擴展速率可通過比較疲勞條帶之間的間距來判斷，間距越大，裂紋擴展越快。在該開裂螺栓的斷口中發現了大量的疲勞條帶，且疲勞條帶之間的間距較小，屬高周疲勞。

3 結論

(1) 螺栓在螺牙根部發生開裂，裂紋屬于穿晶型開裂，斷口附近組織為奧氏體組織+少量孿晶，部分晶粒內有駐留滑移帶形成。

(2) 斷口微觀形貌顯示，斷口中存在明顯的裂紋萌生區和擴展區，擴展區有明顯的疲勞條帶特征，疲勞條帶間距很小，能譜分析表明，裂紋起源區氧含量顯著高于擴展區。

(3) 斷口附近的螺栓組織中位錯密度較大，有大量堆積的駐留滑移帶，而螺栓另外一端位錯密度較低，無駐留滑移帶形成。

(4) 該螺栓失效的原因為疲勞開裂，結合螺栓服役條件可以判斷屬于高周疲勞。