李如源

(福建寧德核電有限公司， 寧德 315200)

1 000 MW核電機(jī)組汽輪機(jī)聯(lián)軸器螺柱表面損傷原因分析

李如源

(福建寧德核電有限公司， 寧德 315200)

某1 000 MW核電機(jī)組檢修期間發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)聯(lián)軸器螺柱表面出現(xiàn)不同程度的損傷。采用宏觀和微觀形貌觀察、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡觀察、化學(xué)成分和能譜分析，對(duì)螺柱表面損傷的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：螺柱表面損傷的類型屬于點(diǎn)腐蝕損傷；引起點(diǎn)腐蝕損傷的原因?yàn)槁葜郗h(huán)境中存在腐蝕性元素，尤其是活性陰離子氯。

核電機(jī)組；聯(lián)軸器螺柱；表面損傷；點(diǎn)腐蝕

聯(lián)軸器螺柱作為汽輪機(jī)的主要部件之一，用來(lái)連接汽輪發(fā)電機(jī)組的各個(gè)轉(zhuǎn)子，并傳遞扭矩、軸向力和轉(zhuǎn)子膨脹位移等。機(jī)組的安全運(yùn)行與聯(lián)軸器螺柱的安全可靠密切相關(guān)，以往發(fā)生的聯(lián)軸器螺柱斷裂事故直接危及機(jī)組的安全運(yùn)行。根據(jù)聯(lián)軸器螺柱以往的斷裂事故可見(jiàn)，其常見(jiàn)的失效模式為疲勞斷裂和過(guò)載斷裂，腐蝕失效的案例較為少見(jiàn)[1-4]。

某核電機(jī)組在運(yùn)行7 000 h后停機(jī)檢修，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三級(jí)聯(lián)軸器共48組螺柱表面出現(xiàn)不同程度的損傷痕跡，經(jīng)分析確診為腐蝕損傷。每組螺柱包括雙頭螺柱(以下簡(jiǎn)稱螺柱)、螺母、開(kāi)口錐形套筒和襯套等零部件[5]，螺柱材料為34CrNi3Mo鋼，規(guī)格為M80 mm×6 mm×560 mm，運(yùn)行時(shí)螺柱溫度為40～60 ℃，螺柱在安裝前外表面涂了一層N5000型潤(rùn)滑劑。筆者以該螺柱為例，對(duì)其表面的腐蝕損傷特征及原因進(jìn)行分析，以期為聯(lián)軸器螺柱的金屬監(jiān)督檢驗(yàn)工作提供有益的參考。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌觀察

該螺柱的宏觀形貌及損傷表面形貌如圖1～3所示。可見(jiàn)，螺柱表面沿軸向存在一個(gè)明顯的條帶狀損傷區(qū)域，損傷痕跡呈灰黑色，為連片密集分布的小凹坑和灰黑色物質(zhì)，軸向分布在整個(gè)螺柱表面，在螺柱環(huán)向最大寬度部位約61 mm，螺柱兩端面的其他區(qū)域存在局部輕度損傷痕跡。

圖1 螺柱表面的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the stud surface:(a) the damage side; (b) the opposite side

圖2 螺桿表面損傷形貌Fig.2 Damage morphology of the screw surface:(a) at low magnification; (b) at high magnification

1.2 力學(xué)性能測(cè)試

在螺柱上沿縱向制取1個(gè)拉伸試樣、3個(gè)U型缺口沖擊試樣、1個(gè)硬度試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，室溫下的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由結(jié)果可見(jiàn)：螺柱室溫下的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊吸收能量均符合JB/T 6396-2006[6]對(duì)34CrNi3Mo鋼的要求，布氏硬度略高于標(biāo)準(zhǔn)要求的上限。

1.3 金相檢驗(yàn)

按照GB/T 13299-1991[7]的要求，將金相試樣在OLYMPUS GX71型光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相檢驗(yàn)，形貌見(jiàn)圖4～5?？梢钥闯觯好黠@損傷部位表面存在多個(gè)凹坑，凹坑內(nèi)充滿灰黑色物質(zhì)；緊鄰凹坑的基體組織為回火索氏體，組織狀態(tài)正常。

表1 螺柱的室溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖4 螺桿處的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the screw:(a) at low magnification; (b) at high magnification

圖5 螺紋處的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the thread:(a) at low magnification; (b) at high magnification

1.4 掃描電鏡觀察

在Quanta 400 HV型掃描電鏡下對(duì)螺柱表面進(jìn)行觀察，形貌見(jiàn)圖6～7?？梢钥闯觯好黠@損傷的螺桿和螺紋表面存在大量密集分布、大小不一的小凹坑，凹坑內(nèi)充滿物質(zhì)；輕度損傷的螺桿表面與明顯損傷的表面形貌一致，也存在大量密集分布的小凹坑，凹坑內(nèi)充滿物質(zhì)。

圖6 螺柱損傷表面的微觀形貌Fig.6 Micro morphology of the damage surface of the stud:(a) at low magnification; (b) at high magnification

圖7 螺紋損傷表面的微觀形貌Fig.7 Micro morphology of the damage surface of the thread:(a) at low magnification; (b) at high magnification

1.5 化學(xué)成分分析

1.5.1 基體成分

在螺柱上制取金屬碎屑進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。由結(jié)果可見(jiàn)，螺柱試樣的化學(xué)成分符合JB/T 6396-2006對(duì)34CrNi3Mo鋼的技術(shù)要求。

1.5.2 損傷部位微區(qū)成分

使用INCA-sight型能譜儀在掃描電鏡下對(duì)螺柱損傷部位進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖8和表3。由結(jié)果可見(jiàn)：損傷部位凹坑內(nèi)物質(zhì)主要元素為鐵、氧，還存在少量氯、硫、鈉等腐蝕性元素。

表2 螺柱的化學(xué)成分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.5.3 潤(rùn)滑劑成分

在螺柱表面刮取潤(rùn)滑劑和備用潤(rùn)滑劑樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由結(jié)果可見(jiàn)：螺柱表面潤(rùn)滑劑中含有少量硫、氯、鈉等腐蝕性元素，備用潤(rùn)滑劑樣品中僅有微量硫元素，未檢測(cè)到氯、鈉元素。

2 分析與討論

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，損傷螺柱的化學(xué)成分、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊吸收能量均符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，硬度略高于標(biāo)準(zhǔn)要求，螺柱的顯微組織為回火索氏體，組織狀態(tài)正常，材質(zhì)無(wú)明顯異常。

圖8 螺桿損傷部位的能譜分析位置Fig.8 Analysis positions of energy spectrum for the damage part of the stud: (a) screw surface; (b) metallographic section

表3 螺桿損傷部位的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

表4 潤(rùn)滑劑的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

螺柱的表面損傷特征如下：沿軸向呈條帶狀分布，最大寬度約61 mm，損傷痕跡呈灰黑色，存在連續(xù)密集分布的小凹坑和灰黑色物質(zhì)；經(jīng)分析該物質(zhì)為腐蝕產(chǎn)物，含有少量氯、硫、鈉等腐蝕性元素；緊鄰凹坑的基體組織未見(jiàn)異常，可知螺柱表面損傷的類型屬于點(diǎn)腐蝕損傷。

螺柱表面潤(rùn)滑劑中含有少量氯、硫、鈉等腐蝕性元素，表明螺柱表面含有這些腐蝕性元素。這些腐蝕性元素(尤其是活性陰離子氯)被吸附在螺柱表面上，破壞了氧化膜，形成微電池，膜破壞處成為陽(yáng)極，而未破壞處成為陰極。由于陽(yáng)極面積比陰極面積小得多，陽(yáng)極電流密度大，螺柱表面很快被腐蝕成大量密集的、充滿腐蝕產(chǎn)物的小凹坑[8]。

在材料化學(xué)元素和含量一定的情況下，其硬度略高或略低與是否發(fā)生點(diǎn)腐蝕損傷沒(méi)有明顯關(guān)聯(lián)，可知腐蝕損傷與螺柱的材質(zhì)無(wú)關(guān)。備用潤(rùn)滑劑樣品中僅含有微量硫元素而不含氯、鈉元素，可知起主要點(diǎn)腐蝕作用的氯元素并非來(lái)源于潤(rùn)滑劑，應(yīng)來(lái)自螺柱的服役環(huán)境中。

螺柱僅在一側(cè)沿軸向存在條帶狀明顯損傷區(qū)域，原因可能是螺柱表面活性陰離子在停機(jī)期間逐漸沉積到螺柱底部，或運(yùn)行期間由于離心力作用聚集到螺栓外圓側(cè)，或僅將潤(rùn)滑劑刷涂到出現(xiàn)明顯損傷的條帶狀區(qū)域所致。

3 結(jié)論

該螺柱表面損傷的類型屬于點(diǎn)腐蝕損傷，引起點(diǎn)腐蝕損傷的原因?yàn)槁葜郗h(huán)境中存在腐蝕性元素，尤其是活性陰離子氯。

[1] 蒲澤林,劉宗德,楊昆,等.汽輪機(jī)聯(lián)軸器螺栓剪切疲勞試驗(yàn)研究[J].機(jī)械強(qiáng)度,2002,24(4):588-590.

[2] 梁軍,方安千,王晨寶.215 MW汽輪機(jī)對(duì)輪螺栓斷裂的失效及受力分析[J].華北電力技術(shù),2005(8):14-16,20.

[3] 陳瑗元,陸慧.35CrMo鋼螺栓斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2014,50(8):616-617.

[4] 韋俏斌,陳賢水,荀志國(guó).硬度差在核電站反應(yīng)堆壓力容器主螺栓驗(yàn)收時(shí)的特殊應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2014,50(8):616-617.

[5] 劉強(qiáng).汽輪機(jī)聯(lián)軸器液壓螺栓在秦山二核的應(yīng)用[J].中國(guó)核電,2008,1(4):309-313.

[6] JB/T 6396-2006 大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件技術(shù)條件[S].

[7] GB/T 13299-1991 鋼的顯微組織評(píng)定方法[S].

[8] 劉昌奎,李運(yùn)菊,陶春虎,等.緊固螺栓開(kāi)裂原因分析[J].機(jī)械工程材料,2008,32(4):70-73.

Cause Analysis on Surface Damage of Coupling Studs of the Steam turbine in a 1 000 MW Nuclear Power Unit

LI Ruyuan

(Fujian Ningde Nuclear Power Company, Ningde 315200, China)

During the period of maintenance of a 1 000 MW nuclear power unit, damage with different degree appeared on the surface of coupling studs of the steam turbine. The causes of the surface damage of the studs were analyzed by methods of macro and micro morphology observation, mechanical property testing, metallographic examination, scanning electron microscope observation, chemical composition and energy spectrum analysis. The results show that: the type of the surface damage of the studs was the pitting corrosion damage; the cause of pitting corrosion damage for studs was that corrosive elements existed in the service environment of the studs, especially the reactive anionic Cl-.

nuclear power unit; coupling stud; surface damage; pitting corrosion

質(zhì)量控制與失效分析

10.11973/lhjy-wl201705016

2016-05-10

李如源(1976-)，男，高級(jí)工程師，主要從事核電設(shè)備技術(shù)管理工作，liruyuan@cgnpc.com.cn

TL48; TG142.23

B

1001-4012(2017)05-0371-04