胡斌 徐科 徐柱

摘? 要：管道法蘭螺母開(kāi)裂脫落，通過(guò)開(kāi)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(cè)試、硬度測(cè)試和顯微組織測(cè)試等手段對(duì)法蘭螺母開(kāi)裂的原因進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。螺母表面宏觀可見(jiàn)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(yàn)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(qiáng)度不足導(dǎo)致開(kāi)裂。

關(guān)鍵詞：螺母? 開(kāi)裂? 測(cè)試? 質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TM623 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(chǎng)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(jiàn)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(hào)機(jī)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(gè)多月，約使用1200個(gè)螺母，到檢測(cè)時(shí)，螺母僅在役使用約1200h。該螺母是性能等級(jí)10級(jí)的M16粗牙螺母，初步懷疑該批次螺母存在質(zhì)量問(wèn)題，為了確定開(kāi)裂的主要原因，開(kāi)展了詳細(xì)的失效原因分析。

1? 測(cè)試與分析

為進(jìn)一步確認(rèn)法蘭螺母的開(kāi)裂原因，分別對(duì)法蘭螺母進(jìn)行顯微觀察：體視顯微鏡、SEM、金相顯微鏡;同時(shí)，開(kāi)展了以下測(cè)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(gè)開(kāi)裂后的螺母和5個(gè)沒(méi)有開(kāi)裂的螺母，針對(duì)10個(gè)使用后的螺母的支撐面和六方面進(jìn)行了體視顯微鏡觀察，檢查結(jié)果表明：所觀測(cè)的10個(gè)螺母上均存在不同程度的缺陷：凹陷（材料缺陷）和裂紋，詳見(jiàn)圖1）。一般來(lái)說(shuō)，在螺母出廠和安裝時(shí)均會(huì)對(duì)螺母的表面狀況進(jìn)行觀察，這些缺陷不是初始的宏觀缺陷，經(jīng)分析認(rèn)為，該部位存在原始微缺陷，并在使用時(shí)受緊固力張開(kāi)及擴(kuò)展，最終致螺母裂開(kāi)。

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(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》對(duì)1個(gè)開(kāi)裂螺母和1個(gè)使用后未開(kāi)裂螺母進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

對(duì)于此類碳鋼材質(zhì)的螺母，GB/T 3098.2-2015《緊固件機(jī)械性能螺母》對(duì)性能等級(jí)10級(jí)的粗牙螺紋的螺母的化學(xué)成分（C、Si、Mn、P、S）進(jìn)行了規(guī)定，如表1中的標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)比發(fā)現(xiàn)無(wú)論是開(kāi)裂螺母還是使用后未開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（≤0.58%）偏離較大。

1.3 保證載荷測(cè)試（使用后未開(kāi)裂螺母）

GB/T 3098.2-2015《緊固件機(jī)械性能螺母》保證載荷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：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(dāng)卸載后，應(yīng)能用手將螺母旋出，或借助扳手松開(kāi)螺母，但不得超過(guò)半扣。對(duì)性能等級(jí)10級(jí)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(jī)械性能螺母》對(duì)使用后未開(kāi)裂螺母進(jìn)行保證載荷試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

1號(hào)螺母在140.5kN時(shí)螺母脫扣，載荷<164.9kN;

2號(hào)螺母在118.3kN時(shí)螺母脫扣，載荷<164.9kN;

3號(hào)螺母在140.4kN時(shí)螺母脫扣，載荷<164.9kN。

因此，3個(gè)測(cè)試螺母均不滿足性能等級(jí)10級(jí)的M16粗牙螺母的性能要求。

1.4 硬度測(cè)試

依照GB/T 3098.2-2015《緊固件機(jī)械性能螺母》對(duì)螺母的縱截面進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，其中1號(hào)螺母的硬度均值為234HV，2號(hào)螺母的硬度均值為250HV，3號(hào)螺母的硬度均值為224HV。而性能等級(jí)10級(jí)的M16粗牙螺母規(guī)定的維氏硬度最小值為272HV。因此3個(gè)測(cè)試螺母均不滿足性能等級(jí)10級(jí)的M16粗牙螺母的性能要求，見(jiàn)表3。

1.5 顯微組織測(cè)試及夾雜檢驗(yàn)

1.5.1 顯微組織測(cè)試

依照GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)螺母進(jìn)行顯微組織測(cè)試。螺母的顯微組織均表現(xiàn)為鐵素體+少量珠光體組織，見(jiàn)圖3。由圖可見(jiàn)，螺母斷面-外表面存在鐓制裂紋（拉長(zhǎng)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(hào)開(kāi)裂螺母沿圖4所示方向打開(kāi)裂紋面，進(jìn)行掃描電鏡觀察，打開(kāi)后的斷口宏觀形貌圖見(jiàn)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(jiàn)為剪切韌窩形貌，韌窩呈拉長(zhǎng)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(jiàn)覆蓋物，局部可見(jiàn)韌窩形貌;

斷面D區(qū)微觀形貌，可見(jiàn)為剪切韌窩形貌。

該螺母六方面可見(jiàn)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(kuò)展，最終在A區(qū)斷裂。螺母微觀組織呈韌窩形貌表明其開(kāi)裂模式為過(guò)載開(kāi)裂。

2? 檢查結(jié)果分析

（1）所提供的10個(gè)螺母中，5個(gè)螺母宏觀觀察未見(jiàn)缺陷（開(kāi)裂）——使用后未開(kāi)裂螺母，5個(gè)螺母存在開(kāi)裂——開(kāi)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(jī)械性能? 螺母》規(guī)定的10級(jí)螺母的性能要求。

·螺母在140.5kN、118.3kN、140.4kN時(shí)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(jí)螺母的硬度值下限（272HV）。

（3）對(duì)使用后未開(kāi)裂螺母進(jìn)行通止規(guī)檢查，1號(hào)和2號(hào)螺母通止規(guī)檢驗(yàn)合格;3號(hào)螺母通止規(guī)檢驗(yàn)不滿足要求，也就是說(shuō)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(jī)械性能? 螺母》規(guī)定，但是碳元素含量低于0.1%（標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度不足。

（5）螺母的顯微組織為鐵素體+少量珠光體組織，未見(jiàn)其它異常組織。但是，按GB/T 3098.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定10級(jí)螺母需進(jìn)行淬火+回火處理，得到強(qiáng)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(cè)，本次失效螺母未進(jìn)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(hào)螺母整個(gè)斷口的微觀形貌呈韌窩狀，為過(guò)載開(kāi)裂。

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

3? 結(jié)語(yǔ)

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(gè)M16的粗牙螺母，性能等級(jí)為10級(jí)，材質(zhì)為碳鋼。螺母僅在役使用約1200小時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（≤0.58%）。螺母表面宏觀可見(jiàn)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(yàn)結(jié)果均不滿足（10級(jí)螺母）要求;螺母斷口的微觀形貌呈韌窩斷裂，為螺母強(qiáng)度不足導(dǎo)致開(kāi)裂。綜上分析，失效螺母開(kāi)裂的原因?yàn)椋?/p>

1）螺母材料含碳量過(guò)低，且不含有其他強(qiáng)化合金元素，螺母硬度、保證載荷試驗(yàn)均不合格，不滿足GB/T3098.2標(biāo)準(zhǔn)10級(jí)螺母規(guī)定。

2）螺母在鍛造過(guò)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(guò)程中為應(yīng)力集中源，最終導(dǎo)致開(kāi)裂擴(kuò)展及斷裂。

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