分享：1000 MW核电机组主蒸汽隔离阀基板块螺栓裂纹分析

摘 要:采用宏观分析、化学成分分析、力学性能试验、金相分析、断口扫描电镜及能谱分析等方 法,对某１０００MW 核电机组进口主蒸汽隔离阀基板块螺栓裂纹性质进行了分析.结果表明:螺栓 裂纹为锻造(轧制)过程中形成的裂缝. 

关键词:核电;螺栓;锻造裂缝 

中图分类号:TL４８;TG１４２．２３          文献标志码:B        文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６１５Ｇ０３

材料为 ASTM A１９３Gr．B７钢的某核电机组进 口主蒸汽隔离阀基板块螺栓,在检修时发现端面存 在纵向裂纹,螺栓实测总长度为１７０mm,螺杆外径 为１９．０mm,螺栓头外径为２８．５mm.螺栓服役环 境温度约２００ ℃,采用力矩扳手安装,加载力矩为 ４４７N??m.笔者对开裂螺栓进行了检验和分析,以查 明其裂纹产生原因,避免类似失效的再发生.

１ 理化检验 

１．１ 宏观分析 

失效螺栓宏观形貌见图１,可见裂纹位于螺栓 螺纹端顶面,呈弯曲走向,且沿顶面中间纵向开裂, 裂纹在螺纹端两侧表面长度分别为８．１,６．９mm. 

１．２ 化学成分分析 

对失效 螺 栓 取 样 进 行 化 学 成 分 分 析,结 果 如 表１所示,可 见 各 元 素 含 量 均 符 合 ASTM A１９３/A１９３M －１７ Standard Specificationfor AlloyＧ Steel and Stainless Steel Bolting for High TemperatureorHighPressureServiceandOther SpecialPurposeApplications对 B７合金钢螺栓成 分的规定. 

１．３ 力学性能试验 

在失效螺栓上制取１个拉伸试样、１个硬度试 样,分别进行拉伸和硬度试验,结果见表２.可见螺 栓材料室温下的规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后 伸长 率、断 面 收 缩 率 和 维 氏 硬 度 均 符 合 ASTM A１９３/A１９３M－１７对 B７合金钢新螺栓的规定. 

１．４ 金相分析 

分别在失 效 螺 栓 上 取 纵 向 和 横 向 金 相 试 样, 磨 制、抛光、化学侵蚀后在光学显微镜下观察.由图２可见:断口源区附近存在少量二次裂纹,整个 裂纹面上均 存 在 一 层 全 脱 碳 层,全 脱 碳 层 的 显 微 组织为铁素 体;裂 纹 断 口 顶 面 附 近 存 在 较 厚 的 氧 化物;螺栓显微组织为回火马氏体,且呈明显的沿 螺栓轴向分 布 的 带 状 形 态,表 明 螺 栓 显 微 组 织 虽 正常,但状态不理想;螺栓基体显微组织与断口附 近显微组织无明显差异.

１．５ 断口扫描电镜分析 

将失效螺栓沿裂纹面打开形成断口.由图３可 见:裂纹断口呈纵向木纹状花样,裂纹断口表面覆盖 着一层氧化物,顶面附近裂纹断口表面的氧化物厚 度明显大于远离顶面处的;裂纹断口低倍下呈纵向 木纹状花样,可见氧化物开裂形态;高倍下顶面附近 的裂纹断口为多个凹坑,其他区域存在较多体积型 的孔洞和一定宽度的裂缝. 

１．６ 能谱分析 

对螺栓断口表面氧化物进行能谱(EDS)微区成 分分析,结果见图４和表３,可见裂纹断口表面上的 物质主要元素成分为铁和氧.

２ 综合分析 

螺栓裂纹位于螺纹端顶面呈弯曲走向,且沿顶 面中间纵向开裂;裂纹断口表面覆盖一层氧化物,微 观下观察可见氧化物开裂形态,顶面附近裂纹断口 表面氧化物的厚度明显大于远离顶面位置的,氧化 物的主要元素成分为铁和氧;整个裂纹面上均存在 一层全脱碳层,全脱碳层显微组织为铁素体;裂纹断 口低倍下呈纵向木纹状花样,顶面附近的裂纹断口为多个凹坑,其他区域断口存在较多体积型的孔洞 和一定宽度的裂缝;综合以上特征分析认为螺栓的 裂纹性质为锻造(轧制)过程中形成的裂缝. 

螺栓锻造(轧制)过程中形成的裂缝一般在高温 时形成,锻造变形时由于裂缝扩大并接触空气,故裂 缝内充有氧化物,且裂纹面两侧脱碳,显微组织为铁 素体.在螺栓的后续切料工序中未彻底切除锻造 (轧制)过程中形成的裂缝,遗留在螺栓两端顶面,故 该螺栓裂纹属于原始缺陷[１Ｇ２].螺栓顶面的裂纹为 锻造(轧制)过程中形成的裂缝,其长度l 和深度b 已超过 GB/T５７７９．１－２０００«紧固件表面缺陷 螺 栓、螺钉和螺柱 一般要求»中的“l≤１d,b≤０．０４d” (d 为螺纹公称直径)的技术要求.

３ 结论及建议 

失效螺栓裂纹性质为锻造(轧制)过程中形成的 裂缝.建议加强新螺栓的质量检验,剔除存在原始 缺陷的螺栓.

参考文献: 

[１] 张青春,赵海丽,陈琦峰,等．B７螺杆上的螺纹剥落原因 分析[J]．理化检验(物理分册),２００８,４４(９):５２１Ｇ５２３． 

[２] 叶圣渊,方振麟,权淑丽,等．ML２０MnTiB 高强度螺 栓头 部 开 裂 原 因 分 析 [J]．理 化 检 验 (物 理 分 册), ２００９,４５(z１):７８Ｇ８０．

<文章来源  >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 54卷 > 8期 (pp:615-617)>