失效分析現場直擊——電站連接螺栓斷裂失效分析
2018-11-22 11:38:54
作者：劉獻良 來源：《理化檢驗—物理分冊》
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某核電緊固螺栓用于連接鼓形濾網減速機輪轂與輻條，材料為奧氏體不銹鋼，規格為M24mm×140mm，力學性能等級為GB/T 3098.6－2014《緊固件機械性能不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》要求的A4-70級。大修期間在對設備進行檢查時發現有5個螺栓缺失，2個螺栓斷裂，大部分螺栓已松動。
圖1 斷裂螺栓裝配位置
斷裂螺栓現場裝配位置如圖1所示。為了查明該連接螺栓失效原因，防止斷裂再次發生，筆者對其進行了檢驗和分析。
理化檢驗
1宏觀檢驗
圖2 斷裂及完整螺栓宏觀形貌
圖2為斷裂螺栓宏觀形貌。可見螺母已丟失，經與完整螺栓對比可見，兩螺栓均斷裂于螺栓頭部與光桿連接處，斷口及光桿表面均覆蓋有黃褐色腐蝕產物。
圖3 斷口宏觀形貌
圖3為清洗后的螺栓斷口宏觀形貌。由圖3可見：兩斷口形貌相似，斷面平齊，幾乎看不到塑性變形；斷口中部為瞬斷區，該區面積較小，略微凸起，呈細長條狀；斷裂源位于螺栓外表面，斷口邊緣分布有較多的放射狀臺階，整個斷口呈明顯的多源雙向疲勞斷裂特征。
2常規理化檢驗
在斷裂螺栓上取樣進行化學成分、室溫拉伸、非金屬夾雜物、顯微組織等檢驗分析。表1和表2分別為化學成分分析和室溫拉伸試驗結果。非金屬夾雜物含量按照GB/T 10561－2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定———標準評級圖顯微檢驗法》中的A法進行評定。
表1 斷裂螺栓化學成分（質量分數）
表2 斷裂螺栓室溫拉伸性能
由表1和表2可見，斷裂螺栓的化學成分及室溫拉伸性能均符合GB/T 3098.6－2014技術要求。
圖4 斷裂螺栓非金屬夾雜物形貌
由圖4可見，兩螺栓組織中均存在較多的非金屬夾雜物。其中黑色長條狀夾雜物為硅酸鹽類夾雜物，非金屬夾雜物含量評定結果為：A1，B0，C3e，D2。
圖5 斷裂螺栓顯微組織形貌
圖5為斷裂螺栓顯微組織形貌，侵蝕劑為王水，檢驗設備為Zeiss Axiovert 200MAT倒置萬能材料顯微鏡。由圖5可見，螺栓顯微組織為奧氏體＋少量條狀鐵素體，未見明顯組織異常。
圖6 完整螺栓頭部與光桿過渡圓角形貌
在同批次未斷裂螺栓頭部與光桿連接部位取樣，制成金相試樣后在顯微鏡下觀察，如圖6所示。可見螺栓頭部與光桿連接部位的過渡圓角呈鈍角，且過渡圓滑，加工流線形態較好，未發現明顯的結構異常。
3斷口微觀分析
兩失效螺栓斷口形貌相似，取失效螺栓1斷口置于TESCAN VEGA 5136掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察，如圖7所示。
圖7 螺栓斷口微觀形貌
斷口邊緣啟裂區可見放射狀臺階，屬多源斷裂，見圖7a）；兩側擴展區有明顯的疲勞條帶，呈明顯的疲勞斷裂特征，見圖7b）；瞬斷區面積較小，微觀上呈韌窩形貌，見圖7c）。
圖8 斷口表面腐蝕產物SEM形貌及EDS譜
圖8為斷口附近黃褐色腐蝕產物能譜（EDS）分析結果。可見腐蝕產物主要為鐵的氧化物，未見有腐蝕性元素存在，說明腐蝕不是引起螺栓疲勞斷裂的主要原因。
綜合分析
由上述理化檢驗結果可見：失效螺栓的化學成分、室溫拉伸性能均符合GB/T 3098.6－2014技術要求；螺栓顯微組織為奧氏體＋少量鐵素體，組織中存在較多的非金屬夾雜物，尤其是硅酸鹽類夾雜物含量較高，且部分夾雜物超尺寸。
螺栓頭部在鐓制成型時，頭部與光桿連接部位的組織和夾雜物隨頭部鐓粗而趨于橫向分布，降低了該處的綜合力學性能，且由于夾雜物變形能力較差，在鋼與夾雜物界面處形成了顯微裂紋，螺栓受力時，這些顯微裂紋成為疲勞破壞的啟裂源。若密集的夾雜物暴露于螺栓表面，將加速疲勞裂紋的形成和擴展。
斷口附近腐蝕產物能譜分析結果顯示未見有腐蝕性元素存在，表明腐蝕不是引起螺栓斷裂的主要原因。螺栓斷口分析結果表明，螺栓斷裂形式為多源雙向疲勞斷裂。
結合現場檢修情況可知，該設備大部分螺栓已松動，設備轉動時，鼓形濾網輻條上下滑移，對螺栓產生了較大的剪切應力，循環往復，最終導致螺栓雙向疲勞斷裂。導致螺栓松動的可能原因較多，設備運行過程中的振動、高低載荷變化、沖擊、安裝時預緊力過低、未采取適當的防松措施、裝配方法不得當等，都有可能引起螺栓松動。
結論及建議
螺栓斷裂形式為多源雙向疲勞斷裂。造成螺栓斷裂的主要原因為螺栓松動后，設備旋轉過程中鼓形濾網輻條上下滑動，使螺栓承受較大的剪切應力，并最終導致螺栓雙向疲勞斷裂；螺栓組織中的大量超尺寸硅酸鹽類夾雜物在一定程度上加速了疲勞裂紋的形成和擴展。
建議提升螺栓原材料生產質量，將原材料組織中的非金屬夾雜物含量和尺寸控制在合理水平；螺栓安裝時應遵循一定的緊固順序原則，并采取防松措施，例如增加防松墊圈、定期進行力矩校核和擰緊等。
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責任編輯：韓鑫
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