核電項目緊固件預防失效的經驗與探討

陶新磊

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172)

2015年，國家核安全局發文通報了浙江高強度緊固件造假事件，供貨緊固件涉及國內多臺核電機組，國內所有核電廠開展了大規模的緊固件排查和整改工作，對核電機組的建造或運行造成了不同程度影響。隨后根據核安全局對核安全系統和有抗震要求的非核安全系統中的緊固件增加了第三方檢測的要求，并補充了沖擊試驗、脫碳檢查等檢測要求[1]。但值得注意的是，該造假事件的緣由是制造過程的熱處理設備陳舊造成工藝不穩定，最終導致抽檢沖擊性能等指標不合格。當前增加的處理措施，仍然在某些情況下不能很好地控制產品質量。

熱處理是緊固件制造過程的關鍵環節，但是當前核電項目在緊固件質量管控中，對該環節重視不夠，沒有設置對緊固件淬火后的硬度進行檢查等環節。緊固件的監造設點中幾乎沒有將制造廠的熱處理關鍵工藝過程作為重點監督環節，進而導致監督不夠全面、缺乏針對性，未能及時發現熱處理工藝的問題。對核級緊固件尚能夠做到對熱處理過程的記錄，而非核級緊固件則沒有熱處理工藝記錄的要求。結合緊固件的失效案例，發現產生斷裂失效的原因主要是應力腐蝕、氫脆等；但不合理的熱處理工藝也會加速緊固件的失效，而緊固件的熱處理工藝還未得到足夠重視[2]。

當前增加的檢測項目并不能發現一些特殊情形下的熱處理錯誤，例如淬火硬度不足、制造廠采用過低回火溫度來勉強達到硬度要求。此外，發黑和磷化螺栓的熱處理工藝也沒有得到足夠重視。

1 典型失效案例分析

某項目龍門架螺栓發生斷裂，螺栓的性能等級為10.9級，規格為M24×80，材質為ML20MnTiB。斷口表面及桿部均可見銹蝕產物，斷口位于螺紋區。對斷口形貌進行觀察，發現斷口平齊，斷面及周圍未見明顯塑性變形，表面被一層銹蝕產物覆蓋。斷裂源區為沿晶特征，存在大量沿晶二次裂紋，如圖1所示；擴展區為沿晶+韌窩；終斷區均為韌窩，呈現典型的沿晶脆性斷裂。

圖1 斷裂源區形貌Fig.1 Microstructure of fracture source region

發生沿晶斷裂一般有幾種情況，回火脆性、過熱過燒、氫脆、應力腐蝕。螺栓回火溫度為425 ℃，符合規范要求，沖擊韌性檢測報告也符合要求，基本可排除回火脆性和過熱過燒。氫含量檢測結果表明，斷裂螺栓及未斷裂的三件螺栓H含量為1 ppm左右，表明螺栓的H含量較低。通常認為只有當氫含量達到一定程度時(>5 ppm)，才會導致螺栓氫脆斷裂，因此可以排除氫脆斷裂的可能。

金相分析表明，螺栓基體組織為回火馬氏體，但部分區域也存在回火屈氏體。ML20MnTiB螺栓的加工工藝為淬火+中溫回火(425 ℃)，理論上得到的組織應是回火屈氏體；但實際基體主要組織為回火馬氏體，回火馬氏體屬于應力腐蝕和氫脆的敏感組織。這是由于熱處理工藝控制不當所致，如回火時間較短或回火時螺栓堆積未分層、分散放置，使部分螺栓熱處理不均勻、不充分，從而導致淬火形成的馬氏體組織未能充分轉變為回火屈氏體。

此外，龍門架靠近大海，海洋大氣環境中含有Cl-，斷口能譜分析中發現斷口腐蝕產物存在Cl元素聚集的情況，具備應力腐蝕的特征。最終分析認為，龍門架螺栓斷裂主要原因為海洋大氣引發的應力腐蝕，但回火溫度不夠導致的組織應力敏感，加速了應力腐蝕的進程，最終產生斷裂失效。

在實際工作中，雖然很多緊固件失效的最終原因分析為氫脆、應力腐蝕等；但由于緊固件熱處理工藝不合理，得不到符合要求的組織，從而導致應力腐蝕和氫脆的敏感性增加。不同組織應力腐蝕和氫脆敏感性的強弱為馬氏體>屈氏體>索氏體，在滿足技術規范硬度要求的前提下，應采取正確的回火工藝，得到低應力敏感性和氫脆敏感性的組織。

螺栓表面處理工藝為磷化處理，緊固件安裝后，進行整體表面涂漆防腐。在螺栓、螺母及兩者與安裝面間隙使用膩子層進行封閉，螺栓孔內未考慮封閉措施。間隙處膩子層和油漆失效后，腐蝕性的Cl-和水汽容易侵入螺栓孔內，導致磷化層腐蝕破壞，螺栓失效斷裂。國家標準GB/T 11376—1997《金屬的磷酸鹽轉化膜》磷化膜的適用環境描述為“在干燥環境(無凝露)中長期防護，在有遮蓋條件的戶外臨時防護”[3]。磷化膜一旦暴露在海洋大氣環境中，極易發生腐蝕失效。解決該問題可以考慮改進密封措施隔絕海洋大氣環境或提高螺栓耐腐蝕性。采用耐老化的粘彈性螺紋密封膠對螺栓孔進行密封，相關標準可參考JB/T7311—2016 《工程機械 厭氧膠、硅橡膠及預涂干膜涂層》[4]。采用粉末滲鋅、達克羅處理、氟碳涂層等措施，可以提高螺栓本體的抗腐蝕性，在達到保護效果的同時還能避免產生氫脆，在海上油田等項目上已有很多成功的應用案例[5]。另外，可以考慮采用達克羅處理、粉末滲鋅等耐腐性更好的處理措施，提高螺栓耐腐蝕性。

2 再回火檢測的必要性

雖然應力腐蝕、氫脆等是引發螺栓失效的主要原因，但熱處理工藝不當會造成應力腐蝕、氫脆的敏感性增加，也是導致螺栓失效的重要原因，這一點往往容易忽視。正確的回火能夠得到恰當的組織，保證緊固件的機械性能，是緊固件熱處理工藝的關鍵環節。核電項目相關建造規范GB/T 3098.1《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》、ASME《美國機械工程師協會標準》和RCC-M《法國壓水堆機械設備制造與設計規范》給出了緊固件材料的最低回火溫度要求。但普通緊固件標準GB/T 3098.1《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對8.8級以下緊固件沒有最低回火溫度的要求、GB1231《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》也沒有給出緊固件的最低回火溫度，相關工藝只能根據經驗選擇。

淬火硬度不足，往往容易被忽視[6]，一些企業往往使用過低的回火溫度來勉強達到規定范圍硬度的錯誤熱處理工藝。然而緊固件回火溫度低，會引起緊固件其他性能的改變，例如沖擊性能、硬度等。在航天、汽車行業的緊固件使用中，已出現過突然斷裂的現象，這與淬火硬度不足，采用較低回火溫度造成鋼中殘余奧氏體含量較多有關[7]。尤其是在柴油機上發生過42CrMo螺栓斷裂事件，對核電項目類似設備應急柴油發電機具有很高的參考價值[8]。殘余奧氏體在常溫下是非穩定狀態，在服役過程中在振動等應力作用下會造成組織轉變引發螺紋失效或斷裂，且由于表現為延遲斷裂，容易忽視，危害性較大。較多的殘余奧氏體偏聚甚至能夠直接導致螺栓性能的大幅降低。雖然在核電項目尚未發生關于此類失效事件的報道，但要做好防范。

例如在某核電項目上水泵泵蓋螺栓發生斷裂，該螺栓淬火后的回火溫度為530 ℃，分析原因認為回火溫度在回火脆性敏感區，導致性能難以滿足要求。但該螺栓在入廠檢測時，沖擊吸收功滿足標準要求，僅以回火溫度在高溫脆性敏感區內判斷失效原因為高溫回火脆性是不恰當的。事實上高溫回火脆性不僅與溫度范圍有關，也與冷卻速率有關，在合適冷卻速率下較快通過高溫回火脆性區間是能夠避免高溫回火脆性的，該螺栓的沖擊吸收功能夠滿足要求也說明了這一點。淬火溫度低而導致的殘余奧氏體較多，能夠恰當的解釋該類斷裂現象，殘余奧氏體的存在增加了材料的斷裂韌性，所以在成品的沖擊檢驗中能夠滿足要求；但隨著服役時間的延長，在振動應力等作用下殘余奧氏體轉變，材料脆性增加導致螺栓發生脆斷。從現象上判斷，該斷裂是由于淬火溫度低導致的殘余奧氏體含量超標而引起的。

為提高緊固件質量，后續根據核安全局195號增加了對安全相關緊固件的入場抽樣檢查項目包括沖擊試驗、脫碳試驗等項目。但對緊固件熱處理過程仍需加強控制，尤其對于淬火硬度不足而采用降低回火溫度的錯誤熱處理工藝。

增加再回火試驗可以有效檢查這種錯誤的熱處理工藝。再回火即對8.8～12.9級的螺栓、螺釘和螺柱，根據實際生產中的最低回火溫度低10 ℃保溫30 min，在同一試樣上并在與第一次測定相同的區域，試驗前后三點硬度平均值之差不得超過20 HV。這與再回火過程中促進了非穩態的殘余奧氏體的轉化有關，而如果原淬火、回火工藝正確，殘余奧氏體較少，在低于原回火溫度下再次回火，組織和硬度不會發生較大變化。

在緊固件失效的斷裂案例中，對斷裂試樣進行金相分析時，經常能夠發現保留馬氏體位相的屈氏體、保留馬氏體位相的索氏體組織。雖然通常認為其為正常的馬氏體回火組織，并不作為缺陷組織考慮，但這往往提示在材料強度仍有較大的余量的前提下，可以進一步提高回火溫度，提高材料斷裂韌性，降低斷裂風險。

緊固件的回火溫度、回火時間可以通過《熱處理手冊》[9]進行查詢，可以為質量管理人員在審核工藝時作為輔助判斷。增加淬火硬度檢測也可以很好地避免出現淬火硬度不足而采用過低回火溫度的錯誤熱處理工藝[10]。這一點在核電行業的緊固件質量控制上尚未得到應用，但在汽車行業的緊固件質量中已經得到良好的應用，值得推廣[11]。

3 磷化和發黑后的熱處理

發黑、磷化、鍍層是緊固件常用的表面處理方法，在核電項目的高強度緊固件中廣泛采用發黑或磷化的處理方式，例如管道法蘭緊固件、常規島鋼結構廠房連接螺栓使用發黑處理，室外龍門架螺栓采用磷化處理等。但在實際工作中經常發生失效案例，除了應力腐蝕外，氫脆也是導致螺栓失效的重要原因。

高強度緊固件為避免氫脆應謹慎采用電鍍、熱浸鍍鋅等工藝，這一點在緊固件使用中已經得到重視和預防[12]。發黑處理、磷化工藝也需要考慮對氫脆的預防，在工作中卻非常容易忽視。例如，某項目常規島汽輪機廠房鋼結構螺栓斷裂，其斷裂呈明顯的氫脆斷口特征，最終分析氫來源為表面處理工藝和環境介質。實際上，在熱處理、氣體滲碳、清洗、酸洗、磷化、電鍍過程以及在工作環境中采取的陰極防護措施等都可能產生氫。在生產過程中，如滾壓成形、機械加工和需要冷卻液或潤滑劑但又中斷的鉆孔以及在焊接或釬焊過程中，也會產生氫。

國家標準GB/T 15519—2002《化學轉化膜鋼鐵黑色氧化膜規范和試驗方法》[13]規定：“可能需要對某些鋼種進行熱處理以減少因氫脆或堿脆而產生裂縫的危險性，抗拉強度Rm≥1000 MPa的高強度鋼可能發生堿脆，導致黑色氧化過程中在內部或外部應力作用下的自發開裂”。國家標準GB/T 11376—1997《金屬的磷酸鹽轉化膜》規定：“如果需方要求消除氫脆，則應按附錄F的規定進行必要的熱處理”；“抗拉強度在1000 N/mm2以上的鋼制件應在磷化、水洗、干燥后立即進行熱處理”。因此10.9級及以上緊固件在進行發黑、磷化工藝時應進行熱處理。但由于GB/T 11376《金屬的磷酸鹽轉化膜》中屬于需要使用方確認的推薦要求，而緊固件的使用方、設計方按GB 3098.1等標準要求往往僅關注緊固件的機械性能、化學成分等參數，認為發黑、磷化處理不會引入氫脆，容易忽視該項要求。在當前的發黑和磷化工藝通常都忽視了磷化后進行驅氫熱處理的需求，而緊固件的制造方從成本考慮對該可選擇性的要求并不會主動增加，這一點在高強度緊固件的質量管理中應當加以重視。因為不合理的磷化工藝也會導致緊固件產生氫脆[14]。

為避免螺栓制造過程中引入氫脆可采用GB3098.17《緊固件機械性能 檢查氫脆用預載荷試驗 平行支承面法》的預載荷試驗法進行檢測：預載荷試驗應在適當的試驗夾具上進行，緊固件承受的應力應在其屈服點以內，或者處在破壞扭矩的范圍內，扭矩可通過匹配螺母(或螺栓)施加，也可以通過轉動攻有螺紋的鋼板施加。可保證相應緊固件所需應力處于其屈服點內，或破壞扭矩范圍內的其他加載方法和夾具也允許采用，該應力或扭矩應至少保持48 h以上，每隔24 h應將緊固件擰松到初始應力或扭矩，同時檢查緊固件是否因氫脆已發生破壞[15]。但該項檢查并未在當前核電項目中得到應用。這會導致當螺栓發生氫脆斷裂時，無法分辨氫來源于螺栓制造工藝還是來源于外部環境，導致分析檢測結果在實際指導意義上的瑕疵。

4 結論

當前對緊固件的質量監控主要集中在產品的機械性能上，加強核電項目緊固件熱處理過程控制很有必要。尤其是當前的檢驗項目無法發現因淬火硬度不足，而采用過低的回火溫度來勉強達到緊固件硬度要求的錯誤熱處理工藝。為避免這種錯誤，應當加強對熱處理過程的質量監督，如記錄緊固件熱處理工藝，增加淬火后的硬度檢驗或在最終檢驗時增加再回火檢測。

雖然核電項目緊固件的失效大多歸結為氫脆斷裂、應力腐蝕等原因，但不合適的熱處理形成不合適的金相組織，提高材料氫脆和應力腐蝕的敏感性也是造成斷裂的重要原因，不容忽視。在相關斷裂案例中，馬氏體位相的屈氏體、馬氏體位相的索氏體，雖然屬于正常的馬氏體回火組織，但在構件仍有較大強度余量的前提下，提高回火溫度，消除馬氏體位相，可以進一步提高材料的斷裂韌性，降低斷裂風險。磷化的耐蝕作用有限，鑒于核電項目大多鄰海，在室外條件或與室外大氣聯通的室內條件下應當采用防護效果更好的措施，例如達克羅處理、粉末滲鋅等處理措施或采取可靠的密封措施。

通常認為電鍍工藝會引起高強度緊固件的氫脆，而忽略發黑和磷化處理工藝也會引起高強度緊固件的氫脆。對強度超過10.9的緊固件進行發黑處理或磷化處理后，也應進行相應的熱處理以避免氫脆的發生。可以采用GB 3098.17《緊固件機械性能 檢查氫脆用預載荷試驗 平行支承面法》、GB/T 26107—2010《金屬與其他無機覆蓋層 鍍覆和未鍍覆金屬的外螺紋和螺桿的殘余氫脆試驗 斜楔法》進行緊固件氫脆的檢查，以避免不合適的制造工藝引入氫脆[16]。