核电站的安全性和可靠性是关系国家核电事业发展的关键因素。受福岛核电事故影响，我国核电政策也由积极发展改为谨慎前行，对核电设备的安全可靠性提出了更高要求。然而，核电系统结构复杂，且随着核电站运行寿命的延长，大量零部件在核电站运行寿期内出现提前失效，并呈逐年增长趋势。核电部件的失效已严重影响到核电站的安全运行。

某核电2号机组常规岛通风、排水和溢流系统（简称“TDS系统”）一阀杆与齿轮箱连接用U形连接杆出现断裂，导致设备损坏。断裂件现场照片如图1所示。根据设备供应商提供的资料显示，断裂件牌号为ASME SA-29 4340，但未提供该产品最终热处理状态。为防止相同事件发生，并制定合理有效的预防措施，电厂随即组织人员对断裂件进行断裂原因分析。

（a）                                                  （b）

图1 断裂件宏观照片

1.理化检验及结果

（1）宏观检查

对断裂U形连接杆宏观检查，如图2所示。U形连接件断裂位置位于U形槽槽底与垂直槽底的槽边过渡位置，断面粗糙呈颗粒状，无明显的塑性变形，呈脆性断裂。通过断口的放射扩展线可以看出，放射线收敛于U形槽内侧，表明断裂起源于U形槽内侧，向外侧扩展并最终断裂。

（a）                             （b）                              （c）

图 2 失效件外观及断口宏观形貌

（2）化学成分分析  表1为断裂件取样的化学成分分析结果。该断裂件各化学元素含量与ASME SA-29规定的4340钢元素含量差异较大，且S含量显著高于标准要求。经与ASME SA-29比对发现，断裂件化学成分与该标准牌号为1345的钢种较为接近。可见，设备供应商提供的材料牌号与实际牌号不符，可能存在材质错用的情形。

表1 化学成分分析结果（质量分数）  （%）

（3）硬度测试

表2为断裂件断口附近取样布氏硬度测试结果。断裂件硬度值较为均匀，平均约280HBW。GB/T 3077—2015《合金结构钢》规定45Mn2钢（对应ASMESA-29 1345）在退火或高温回火后的硬度值≤217HBW，因此可见，该断裂件的硬度值显著超出该材质在理想热处理状态下的硬度值。

表2 布氏硬度测试结果   （HBW）

（4）金相检验

图3为断裂件断口附近金相检验结果。纵截面试样抛光态下可见，断裂件组织中夹杂物含量较高（见图3a），其类型主要为A类（硫化物类），依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》中A法评级级别为A3s。

断裂件基体金相组织为珠光体+铁素体，铁素体沿断裂件纵向呈带状或网状分布（见图3b）；断口沿铁素体与珠光体交界面开裂（见图3c）。

通过断口中心的纵截面金相试样显示，未断裂侧U形槽槽底平面与内侧竖直面相交位置的过渡角R较为尖锐，而断裂侧断面恰好在该位置启裂（见图3d~f），表明U形件的断裂与该过渡位置尖锐的夹角R引起的应力集中有关。通过图3c还可看出，R位置金属流线被割断，导致R角位置垂直于流线方向的力学性能严重降低。

（a）非金属夹杂                                   （b）基体组织  

（c）断口截面                                           （d）未断裂侧R角位置 

（e）纵截面试样宏观照片                       （f）断裂侧R角位置

图3  断口附近非金属夹杂及显微组织形貌

（5）断口微观分析

图4为失效件断口各区域微观形貌。启裂区基体中存在大量的硫化物夹杂，夹杂物沿铁素体与珠光体的交界面呈条状分布，断口主要沿夹杂物与基体的交界面开裂，基体相连的部分断裂时形成撕裂棱（见图4a）；扩展区可见部分解理形貌，其断裂形式为沿夹杂物与基体的界面开裂和穿晶型解理断裂两种形式（见图4b）；终断区断裂形貌与启裂区基本相似。

（a）启裂区

（b）扩展区

（c）瞬断区

图4  断口微观形貌

2.分析与讨论

综合上述各检验结果，失效件的断裂与多种因素有关。

（1）材质错用

化学成分分析结果显示，零件出现材质错用的情况，错将1345钢替代了4340钢使用。4340钢相比于1345钢而言，添加了Cr、Ni、Mo等合金元素，其综合力学性能要优于一般的碳素钢1345。参考GB/T 3077—2015《合金结构钢》，列出1345和4340两种牌号的对应国内牌号在调质状态下的力学性能如表3所示。

表3 牌号1345和4340钢力学性能对比

可见，1345钢相对4340钢而言，其整体力学性能较差，材料的错用会明显降低部件的承载能力，可能会导致其不能满足设计要求。电厂后期对上述设备制造商提供的其他相同或相似功能部件进行了现场材质排查，发现除阀杆与齿轮箱连接用U形杆外，还包括一部分齿轮箱支撑杆等也出现材质错用的情况。

（2）产品热处理状态不合理

根据断裂件的化学成分及其使用状态判断，该断裂件最佳的使用状态应为调质态，其金相组织应为回火索氏体。而金相检验发现，断裂件的金相组织为珠光体+铁素体，且铁素体呈带状或网状分布，其综合力学性能会显著低于回火索氏体组织。断裂件较高的布氏硬度也反映出其较低的塑韧性，高的硬度增加了材料的强度，但降低了材料的塑性和韧性，对部件承受冲击载荷极为不利。因此可见，断裂U形件的热处理工艺不合理。

（3）非金属夹杂物含量过高

断裂U形件非金属夹杂物含量较高，这与化学成分分析结果中较高的S含量相吻合。大量的硫化物夹杂沿铁素体与珠光体界面析出，割裂了基体的连续性，导致材料沿垂直于加工方向的力学性能严重降低。通过对断口边缘取样金相检验也发现，断面主要沿夹杂物与基体的交界面扩展，表明该部件的断裂与大量非金属夹杂物的存在有较大关系。

（4）U形槽设计及加工方式不合理

U形槽槽底平面与垂直于槽底平面的槽内侧平面之间的夹角R较小，两垂直面过渡尖锐。查阅设备制造商提供的图样（见图5）发现，该产品在设计时并未对上述过渡角R进行规定，而根据工件的实际使用工况可以判断，该部件在安装或使用过程中会不可避免地受到平行于U形槽槽底的分应力F的影响，而尖锐的夹角极易造成应力集中，导致U形槽在R位置破坏。因此可见，该零件同样存在设计上的缺陷。

图5 制造商提供的失效件示意

纵截面金相检验时还发现，断裂U形件在过渡圆角R位置的金属流线不合理。R位置金属流线被割断，容易导致该位置应力集中，也使得材料在R位置平行于槽底的方向上力学性能进一步显著降低。在U形槽的成形过程中，若能采用锻造形式替代切削成槽的形式，可以改变R角位置金属流线形态，防止金属流线出现断流的情况，同时也能改善R角度过小容易导致应力集中的问题，提高U形槽R位置的力学性能。

3.结论及建议

（1）U形件的断裂受多种因素影响，包括材质错用、产品热处理状态不佳、组织中大量的非金属夹杂物、槽底平面与垂直面之间的夹角过小、加工方式不合理造成的金属流线被割断等。上述每一条因素都足于造成该U形件在受到横向应力时发生断裂。

（2）正确选材、避免材料错用并降低材料中非金属夹杂物含量，是防止该失效情况发生的首要前提。

（3）保证材质合格的前提下，应改进或优化制造工艺，包括采用调质处理以获得综合性能优良的回火索氏体组织、U形槽的成形中采用锻造工艺替代切削加工，以改善金属流线不合理及夹角R过小引起应力集中严重的问题等。

作者：刘献良，赖云亭，张忠伟，左敦桂

单位：苏州热工研究院有限公司