核電廠排污系統(tǒng)地坑排水泵出口管道法蘭螺母開裂原因分析

胡斌 徐科 徐柱

摘? 要：管道法蘭螺母開裂脫落，通過開裂口外觀檢查、宏觀和微觀分析、材料化學(xué)成分分析，保證載荷測試、硬度測試和顯微組織測試等手段對法蘭螺母開裂的原因進行了分析。結(jié)果表明：失效螺母的化學(xué)成分滿足要求，但是碳含量遠遠偏離標準規(guī)定值。螺母表面宏觀可見鍛造成型不良缺陷;金相組織為鐵素體+珠光體;保證載荷和硬度檢驗結(jié)果均不滿足要求;螺母斷口的微觀形貌呈韌窩斷裂，為螺母強度不足導(dǎo)致開裂。

關(guān)鍵詞：螺母? 開裂? 測試? 質(zhì)量

中圖分類號：TM623 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（b）-0017-05

Cause Analysis of Flange Nut Cracking of Sump Drain Pump Outlet Pipe in Nuclear Power Plant

HU Bin? XU Ke? XU Zhu

（CNNP Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.， Jiaxing， Zhejiang Province，314300 China）

Abstract： The pipe flange nut cracked and fell off， and the reasons for the flange nut cracking were analyzed by means of cracking appearance inspection， macro and micro analysis， material chemical composition analysis， guarantee load test， hardness test and microstructure test. The results show that the chemical composition of the failed nut meets the requirements， but the carbon content is far from the standard value. Macroscopically visible defects caused by forging on the nut surface; the metallographic structure is ferrite + pearlite; ensure that the load and hardness test results do not meet the requirements; the microscopic appearance of the nut fracture is dimple fracture， which is caused by insufficient nut strength.

Key Words： Nut; Cracking; Test; Quality

核電廠排污系統(tǒng)地坑排水泵出口管道法蘭螺母脫落，現(xiàn)場檢查人員在設(shè)備附近的地面上發(fā)現(xiàn)脫落的螺母，部分螺母出現(xiàn)肉眼可見的貫穿裂紋。隨后抽查了小部分在役的同批螺母，也在螺母上發(fā)現(xiàn)有了貫穿裂紋。

經(jīng)調(diào)查研究，該批次螺母用于核電廠3號機組排污系統(tǒng)地坑排水泵出口管道法蘭， 該管道法蘭安裝完成才2個多月，約使用1200個螺母，到檢測時，螺母僅在役使用約1200h。該螺母是性能等級10級的M16粗牙螺母，初步懷疑該批次螺母存在質(zhì)量問題，為了確定開裂的主要原因，開展了詳細的失效原因分析。

1? 測試與分析

為進一步確認法蘭螺母的開裂原因，分別對法蘭螺母進行顯微觀察：體視顯微鏡、SEM、金相顯微鏡;同時，開展了以下測試：化學(xué)成分、保證載荷、硬度、通規(guī)/止規(guī)。

1.1 體視顯微鏡觀察

冷鐓工藝是一種利用金屬在外力作用下所產(chǎn)生的塑性變形，并借助于模具，使金屬體積作重新分布及轉(zhuǎn)移，從而形成所需要的零件或毛坯的加工方法。六角螺母是一種使用很廣的緊固件，M24以下規(guī)格的螺母普遍采用冷鐓方法生產(chǎn)，其主要缺陷包括裂紋、材料缺損和折疊。

選取了5個開裂后的螺母和5個沒有開裂的螺母，針對10個使用后的螺母的支撐面和六方面進行了體視顯微鏡觀察，檢查結(jié)果表明：所觀測的10個螺母上均存在不同程度的缺陷：凹陷（材料缺陷）和裂紋，詳見圖1）。一般來說，在螺母出廠和安裝時均會對螺母的表面狀況進行觀察，這些缺陷不是初始的宏觀缺陷，經(jīng)分析認為，該部位存在原始微缺陷，并在使用時受緊固力張開及擴展，最終致螺母裂開。

1.2 化學(xué)成分分析

依照GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》對1個開裂螺母和1個使用后未開裂螺母進行化學(xué)成分測試，測試結(jié)果如表1所示。

對于此類碳鋼材質(zhì)的螺母，GB/T 3098.2-2015《緊固件機械性能螺母》對性能等級10級的粗牙螺紋的螺母的化學(xué)成分（C、Si、Mn、P、S）進行了規(guī)定，如表1中的標準值。對比發(fā)現(xiàn)無論是開裂螺母還是使用后未開裂螺母的化學(xué)成分值基本一致，C、Si、Mn、P、S均滿足要求。但其碳元素（C）的含量為～0.1%，與標準規(guī)定值（≤0.58%）偏離較大。

1.3 保證載荷測試（使用后未開裂螺母）

GB/T 3098.2-2015《緊固件機械性能螺母》保證載荷驗收標準：沿螺母軸線方向施加保證載荷，并持續(xù)15s，螺母應(yīng)能承受該載荷而不得脫扣或斷裂，如圖2。當卸載后，應(yīng)能用手將螺母旋出，或借助扳手松開螺母，但不得超過半扣。對性能等級10級的M16粗牙螺母要求：在保證載荷值164.9kN條件下保持15s，并且可用手旋出。

依照GB/T 3098.2-2015《緊固件機械性能螺母》對使用后未開裂螺母進行保證載荷試驗，測試結(jié)果如表2所示。

1號螺母在140.5kN時螺母脫扣，載荷<164.9kN;

2號螺母在118.3kN時螺母脫扣，載荷<164.9kN;

3號螺母在140.4kN時螺母脫扣，載荷<164.9kN。

因此，3個測試螺母均不滿足性能等級10級的M16粗牙螺母的性能要求。

1.4 硬度測試

依照GB/T 3098.2-2015《緊固件機械性能螺母》對螺母的縱截面進行維氏硬度測試，其中1號螺母的硬度均值為234HV，2號螺母的硬度均值為250HV，3號螺母的硬度均值為224HV。而性能等級10級的M16粗牙螺母規(guī)定的維氏硬度最小值為272HV。因此3個測試螺母均不滿足性能等級10級的M16粗牙螺母的性能要求，見表3。

1.5 顯微組織測試及夾雜檢驗

1.5.1 顯微組織測試

依照GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》對螺母進行顯微組織測試。螺母的顯微組織均表現(xiàn)為鐵素體+少量珠光體組織，見圖3。由圖可見，螺母斷面-外表面存在鐓制裂紋（拉長狀組織）和折疊缺陷，斷裂模式主要為穿晶斷裂。

1.6 斷口微觀形貌分析

將8號開裂螺母沿圖4所示方向打開裂紋面，進行掃描電鏡觀察，打開后的斷口宏觀形貌圖見圖5。圖中A-D區(qū)為螺母斷面，E區(qū)是螺母的六方面。

斷面A區(qū)微觀形貌，可見為剪切韌窩形貌，韌窩呈拉長形態(tài);

斷面B區(qū)微觀形貌，滑移帶+局部韌窩形貌;

斷面C區(qū)微觀形貌，表面可見覆蓋物，局部可見韌窩形貌;

斷面D區(qū)微觀形貌，可見為剪切韌窩形貌。

該螺母六方面可見縱向貫穿裂紋，觀察圖5螺母斷口的整體形貌，結(jié)合A-D區(qū)的微觀組織，螺母裂紋于C區(qū)萌生，有C區(qū)至B區(qū)擴展，最終在A區(qū)斷裂。螺母微觀組織呈韌窩形貌表明其開裂模式為過載開裂。

2? 檢查結(jié)果分析

（1）所提供的10個螺母中，5個螺母宏觀觀察未見缺陷（開裂）——使用后未開裂螺母，5個螺母存在開裂——開裂螺母。

（2）螺母的保證載荷和硬度不滿足GB/T 3098.2-2015《緊固件機械性能? 螺母》規(guī)定的10級螺母的性能要求。

·螺母在140.5kN、118.3kN、140.4kN時脫扣，不滿足在164.9kN條件下保持15s的要求;

·螺母維氏硬度為234HV、250 HV、224 HV，低于10級螺母的硬度值下限（272HV）。

（3）對使用后未開裂螺母進行通止規(guī)檢查，1號和2號螺母通止規(guī)檢驗合格;3號螺母通止規(guī)檢驗不滿足要求，也就是說使用后的螺母螺牙存在變形。

（4）螺母的化學(xué)成分滿足GB/T 3098.2-2015《緊固件機械性能? 螺母》規(guī)定，但是碳元素含量低于0.1%（標準規(guī)定≤0.58%），較低的碳含量使螺母組織組成為鐵素體（大量）+珠光體（少量），導(dǎo)致硬度偏低和強度不足。

（5）螺母的顯微組織為鐵素體+少量珠光體組織，未見其它異常組織。但是，按GB/T 3098.2標準規(guī)定10級螺母需進行淬火+回火處理，得到強度和韌性較好的組織，如回火索氏體等。根據(jù)失效螺母碳含量和組織可以推測，本次失效螺母未進行淬火+回火處理，或者因碳含量偏低（0.1%）雖經(jīng)熱處理但未獲得理想的組織。

（6）8號螺母整個斷口的微觀形貌呈韌窩狀，為過載開裂。

（7）體式顯微觀察和金相檢驗均發(fā)現(xiàn)螺母端面存在鐓制裂紋和折疊。

3? 結(jié)語

核電廠排污系統(tǒng)地坑排水泵出口管道法蘭安裝，約使用1200個M16的粗牙螺母，性能等級為10級，材質(zhì)為碳鋼。螺母僅在役使用約1200小時就出現(xiàn)螺母脫落情況，部分螺母存在貫穿裂紋。

根據(jù)螺母檢查結(jié)果可知，失效螺母的化學(xué)成分滿足要求，但是碳含量遠遠偏離標準規(guī)定值（≤0.58%）。螺母表面宏觀可見鍛造成型不良缺陷;金相組織為鐵素體+珠光體;保證載荷和硬度檢驗結(jié)果均不滿足（10級螺母）要求;螺母斷口的微觀形貌呈韌窩斷裂，為螺母強度不足導(dǎo)致開裂。綜上分析，失效螺母開裂的原因為：

1）螺母材料含碳量過低，且不含有其他強化合金元素，螺母硬度、保證載荷試驗均不合格，不滿足GB/T3098.2標準10級螺母規(guī)定。

2）螺母在鍛造過程中存在有鍛造成型不良等缺陷，螺母端面的鐓制裂紋和折疊在使用過程中為應(yīng)力集中源，最終導(dǎo)致開裂擴展及斷裂。

參考文獻

[1] 東曉林，時小軍等.螺紋緊固件腐蝕防護技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].電鍍與涂飾，2016：481-485.

[2] 涂文兵，何海斌，等.螺紋深度和螺距對螺紋連接強度影響的有限元分析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2017：118-123.

[3] [1]張濤.五金緊固件鋅鋁復(fù)合涂層及其防腐蝕性能[J].腐蝕與防護，2015，36（06）：560-562+568.

[4] 儲火，石小崗.螺栓軸力超聲波測量技術(shù)中殘余軸力的測量方法[J].精密成形工程，2017：119-124.

[5] 劉鵬.高強度緊固件用涂層的耐蝕性[J].腐蝕與防護，2019：890-891.

[6] 王曉斌，嚴星，等.擰螺栓和擰螺母對螺紋軸向預(yù)緊力的影響研究[J].制造技術(shù)與機床，2019：191-192.