郭 凱,李心剛,翟新年,黃進(jìn)財(cái)

(1.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司，深圳 518000；2.中核深圳凱利核能服務(wù)有限公司，深圳 518000)

螺栓是工程中應(yīng)用最廣泛的一種可拆卸連接件，特別是高強(qiáng)螺栓，由于具有體積小、聯(lián)接剛度大、聯(lián)接質(zhì)量易于保證等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于能源、電力、鐵路、公路等各個(gè)領(lǐng)域。在工作時(shí)螺栓一般承受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力。而應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的螺栓受力則更為復(fù)雜，在服役過程中除受到預(yù)緊拉應(yīng)力外，還要承受周期性的脈動(dòng)載荷和沖擊載荷[1-3]。因此，對(duì)于應(yīng)用于該環(huán)境中的螺栓，除了一定的強(qiáng)度和韌性外，還要具備較高的疲勞強(qiáng)度。

作為一種典型的多缺口零件，螺栓的疲勞性能受結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、制造工藝及服役環(huán)境等多種因素的影響[4-7]。與同材料的缺口件相比，其疲勞強(qiáng)度明顯偏低。近年來，螺栓日益向高強(qiáng)度發(fā)展，螺栓材料的應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)展敏感性也隨之增大。服役過程中，高強(qiáng)螺栓在交變載荷的作用下發(fā)生疲勞失效的可能性也更大，部分螺栓還會(huì)由于受到苛刻服役環(huán)境影響而腐蝕，從而誘發(fā)疲勞斷裂，給工程造成嚴(yán)重的后果[8-10]。

本工作針對(duì)某核電廠失效斷裂的海水過濾器轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端連接高強(qiáng)螺栓，采用體式顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀觀察螺栓斷口形貌，分析腐蝕產(chǎn)物成分；利用Marc有限元軟件模擬了螺栓承受載荷過程中的應(yīng)力分布，并分析了螺栓發(fā)生失效的原因和失效機(jī)理。

1 失效分析

1.1 斷裂螺栓服役工況及基本性能

斷裂螺栓為8.8級(jí)高強(qiáng)度法蘭連接螺栓，化學(xué)成分如表1所示，服役位置位于轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)與導(dǎo)向軸承連接處，服役環(huán)境為海洋大氣。螺栓斷裂后的宏觀形貌如圖1所示，斷裂位置位于螺栓第1至第2扣螺紋牙處。該斷裂螺栓的顯微組織為經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的回火索氏體，螺紋牙表面未發(fā)現(xiàn)脫碳層的存在，如圖2所示。

表1 斷裂螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of fractured bolt (mass fraction) %

圖1 斷裂螺栓的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic appearance of fractured bolts

1.2 斷口分析

采用掃描電鏡觀察斷裂處螺紋根部腐蝕形貌，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，斷口螺紋根部粗糙，存在較多的腐蝕產(chǎn)物和微裂紋，裂紋起源于螺紋根部，萌生后由根部向螺栓內(nèi)部擴(kuò)展。對(duì)螺紋根部腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表2。從表2中可以看到，腐蝕產(chǎn)物中存在鋅、鐵和氯元素，這表明螺紋根部鍍鋅層發(fā)生了破壞，導(dǎo)致螺栓基體與海洋大氣接觸發(fā)生腐蝕。在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子脈沖作用下，腐蝕坑底部應(yīng)力集中加劇，導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。

表2 螺紋根部腐蝕產(chǎn)物的能譜測(cè)試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Testing results of corrosion products at root of threads by EDS (mass fraction) %

從圖4(a)中可以看出，斷口表面平整，裂紋起源于螺紋根部，呈發(fā)散狀向螺栓內(nèi)部擴(kuò)展。進(jìn)一步采用掃描電鏡觀察斷口裂紋區(qū)發(fā)現(xiàn)，斷口表面有大量顆粒狀氧化物存在，疲勞輝紋被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，如圖4(b)所示。對(duì)斷口處腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物主要成分為鐵氧化物及NaCl、MgCl等，見表3。結(jié)合螺栓服役環(huán)境，推斷螺栓在服役或拆裝過程中遭受了海水的侵蝕。采用檸檬酸清洗后觀察發(fā)現(xiàn)斷口處存在明顯的疲勞輝紋，呈現(xiàn)出典型的腐蝕疲勞開裂特征，如圖4(c)所示。

表3 斷口腐蝕產(chǎn)物能譜測(cè)試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.3 Testing results of corrosion products on fracture surface by EDS (mass fraction) %

(a) 表面

圖3 斷裂處螺紋根部腐蝕形貌Fig.3 Corrosion morphology of root of threads on fracture

(a) 整體 (b) 裂紋區(qū)，檸檬酸清洗前 (c) 裂紋區(qū)，檸檬酸清洗后圖4 螺栓斷口形貌Fig.4 Morphology of bolt fracture:(a) whole fracture;(b) crack area,before citric acid cleaning;(c) crack area,after citric acid cleaning

2 應(yīng)力分布模擬

應(yīng)用有限元軟件Marc對(duì)反沖洗驅(qū)動(dòng)組件連接螺栓的受力情況進(jìn)行了模擬。由于反沖洗驅(qū)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為提高模擬效率，對(duì)實(shí)際構(gòu)件進(jìn)行簡化處理。將驅(qū)動(dòng)組件簡化為單個(gè)回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，并只對(duì)單個(gè)螺栓進(jìn)行有限元分析。本模型中共分為三個(gè)實(shí)體部分，采用正六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格單元，忽略螺紋間的接觸，有限元模型及單元?jiǎng)澐秩鐖D5所示。

圖5 有限元簡化模型及單元?jiǎng)澐諪ig.5 Simplified finite element model and unit partition

在服役過程中，除了軸向拉伸載荷外，由于設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，螺栓還需要承受一定的剪切載荷。因此，在有限元分析過程中，選取400 MPa垂直于軸向的剪切載荷作用于螺帽周邊,得到剪切載荷作用下螺栓的應(yīng)力云圖，如圖6所示。根據(jù)應(yīng)力云圖可知，在螺栓周邊施加垂直于螺栓軸向的剪切載荷后，最大應(yīng)力載荷集中發(fā)生在螺母與法蘭接觸面位置，由接觸面向螺栓兩端應(yīng)力集中呈現(xiàn)陡降趨勢(shì)。而根據(jù)螺栓軸向和徑向剖面圖，如圖7所示，螺栓表面應(yīng)力集中最為嚴(yán)重，由螺栓表面至心部應(yīng)力逐漸減小。有限元模擬結(jié)果中最大應(yīng)力集中位置與斷裂螺栓斷口位置相符。

螺栓與螺帽接觸位置承受的載荷有兩部分：一部分為上述有限元模擬中所描述的設(shè)備運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切載荷，另一部分為轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)脈沖所產(chǎn)生的軸向拉伸載荷。根據(jù)方棟等[11-15]的研究，當(dāng)軸向拉伸載荷作用于螺栓的各扣螺紋牙時(shí)，各扣螺紋牙處承受的應(yīng)力是不均勻的，距離法蘭支撐面最近的螺栓與螺母嚙合的第一扣螺紋牙承受的載荷最大，距離支撐面越遠(yuǎn),各扣螺紋牙受力越小，如圖8所示。這意味著螺栓第一扣螺紋牙根部的應(yīng)力集中最為嚴(yán)重，而疲勞斷裂多發(fā)生于該位置。上述分析結(jié)果及實(shí)際螺栓斷口位置也符合該規(guī)律。

圖8 軸向拉伸載荷作用下螺紋處應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution near threads under axial tensile load

3 分析與討論

金屬的疲勞破壞可以大致分為疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂三個(gè)階段。疲勞裂紋萌生一般是由腐蝕介質(zhì)的作用和應(yīng)力集中引起的。試驗(yàn)中采用的8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓表面存在鍍鋅層，螺栓在服役或拆裝過程中，設(shè)備內(nèi)的積水及潮濕的海洋大氣極易在螺紋間隙處形成殘留液。螺紋牙根處鍍鋅防護(hù)層在額外載荷的作用下與周圍金屬發(fā)生摩擦而不斷磨損形成凹坑，暴露出基體?；w與殘留的腐蝕介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，形成早期點(diǎn)蝕坑。腐蝕疲勞裂紋的萌生是材料局部區(qū)域薄弱環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，而點(diǎn)蝕坑的存在則是疲勞過程中形成的最常見的薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)，轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)法蘭連接螺栓的螺紋牙根部圓角較小，容易形成缺口效應(yīng)[16-17]，產(chǎn)生應(yīng)力階差，而螺紋根部點(diǎn)蝕坑或微裂紋的存在將使應(yīng)力階差增大，成為“先天性”的疲勞源，從而降低螺栓的疲勞強(qiáng)度，縮短疲勞壽命。

螺栓的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展有兩個(gè)條件：一是有應(yīng)力幅存在，二是軸向或切向載荷的加載。斷裂螺栓在服役過程中受力復(fù)雜，主要承受設(shè)備運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切載荷和轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的軸向拉伸載荷，采用有限元方法分別對(duì)剪切載荷和軸向拉伸載荷作用下的螺栓受力情況進(jìn)行分析可知，斷裂螺栓最大應(yīng)力載荷集中在螺帽與法蘭接觸面位置，并且在剪切載荷和軸向拉伸載荷作用下螺栓的各扣螺紋牙所承受的應(yīng)力將會(huì)不均勻分布，距離轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)法蘭支撐面最近的螺紋牙承受應(yīng)力最大，距離支撐面越遠(yuǎn)，應(yīng)力越小。在螺桿與螺母嚙合的第一圈螺紋處，螺牙根部應(yīng)力最大，在徑向交變剪切載荷和軸向拉伸載荷的長期作用下，微裂紋沿弧切線方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。

結(jié)合轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)法蘭連接螺栓的服役環(huán)境、斷口分析結(jié)果和Marc有限元模擬分析結(jié)果，斷口的裂紋起源于螺紋根部的腐蝕坑和微裂紋，且多個(gè)斷口存在腐蝕產(chǎn)物和疲勞輝紋，呈典型的腐蝕疲勞斷裂特征。

4 結(jié)論與建議

(1) 螺栓斷裂的性質(zhì)為腐蝕疲勞斷裂，歸因于腐蝕介質(zhì)，設(shè)備擺動(dòng)產(chǎn)生的剪切載荷和轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的軸向拉伸載荷的共同作用。

(2) 在剪切載荷作用下，螺母與連接法蘭接觸平面處是應(yīng)力集中最嚴(yán)重位置，在拉伸載荷作用下，距離法蘭支撐面最近的螺栓與螺母嚙合的第一扣螺紋牙承受的載荷最大。在徑向交變剪切載荷和軸向拉伸載荷的長期作用下，螺紋根部的微裂紋沿弧切線方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。

建議對(duì)于承受交變載荷且服役環(huán)境苛刻的螺栓，定期檢測(cè)表面鍍鋅層的完整性，發(fā)現(xiàn)鍍鋅層破損或螺紋根部發(fā)生腐蝕，應(yīng)及時(shí)更換。