案例1：核電疏水閥蒸汽管線泄漏原因分析與預(yù)防（服役環(huán)境考慮不周）

1. 事故背景

某核電站近幾年接連發(fā)生常規(guī)島X機(jī)組疏水閥蒸汽管線泄漏事故，泄漏發(fā)生于相同機(jī)組的不同管線，出現(xiàn)泄漏的時(shí)間有長(zhǎng)有短，泄漏位置均與焊縫有關(guān)，有焊縫與直管交界處，有焊縫與彎管交界處，也有焊縫區(qū)域，在靠近焊縫彎管內(nèi)表面的氣蝕坑中也發(fā)現(xiàn)了裂紋。

2. 失效部位

管線開裂泄漏情況見圖1a)。宏觀分析時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接部位鋼管內(nèi)壁的顏色不同，焊縫一邊顏色較亮，呈銀灰色，而另一邊覆蓋著褐色氧化腐蝕產(chǎn)物，見圖1b)；焊接下塌比較明顯，焊縫上存在蜂窩狀孔洞，而另一側(cè)焊縫未見此特征，見圖1c)；焊縫與母材交界處存在孔洞以及起源于孔洞的微裂紋，見圖1d)。

圖1 泄漏管線宏微觀形貌

3. 失效分析

采用有限元對(duì)管線的實(shí)際工況進(jìn)行數(shù)字模擬，并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查、事故調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)取樣和全面的理化分析及綜合分析，最后得出管線發(fā)生泄漏失效的原因如下：管線內(nèi)高溫水流經(jīng)彎管或焊接下塌處時(shí)，產(chǎn)生了局部負(fù)壓區(qū)，高溫水流經(jīng)過這些區(qū)域時(shí)因壓力突然下降，瞬間氣化變?yōu)闅馀?，氣泡爆炸時(shí)產(chǎn)生巨大的爆破應(yīng)力，發(fā)生空泡腐蝕，同時(shí)也引起管線振動(dòng)，當(dāng)其頻率與管線固有頻率成整數(shù)倍時(shí)，管線還發(fā)生共振，振動(dòng)幅度加大，導(dǎo)致管線在焊縫這個(gè)“薄弱環(huán)節(jié)”部位發(fā)生了腐蝕疲勞開裂，裂紋穿透整個(gè)管壁后，管線發(fā)生泄漏。

4. 改進(jìn)措施

針對(duì)該次失效分析的結(jié)論，提出了三個(gè)預(yù)防措施：

① 提高焊接質(zhì)量，控制焊接下塌尺寸，減少空泡腐蝕發(fā)生的可能；

② 增加管線支撐架或改變管線規(guī)格，以改變管線固有頻率，防止發(fā)生共振；

③ 在管線上安裝減震設(shè)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)采取糾正措施，避免管線產(chǎn)生共振。

5. 整改后

核電機(jī)組根據(jù)該失效分析報(bào)告的結(jié)論和提出的預(yù)防措施，結(jié)合機(jī)組的實(shí)際情況，加強(qiáng)了焊接質(zhì)量控制，并將管線的壁厚由3mm改為5mm，改變了系統(tǒng)的固有頻率。經(jīng)過一年多的實(shí)際運(yùn)行，未再發(fā)生管線泄漏事故。

案例2：裝卸料機(jī)料倉Ferguson齒輪隨動(dòng)滾輪頂絲斷裂失效分析與預(yù)防（安裝不合理）

1. 事故背景

斷裂的頂絲服役于核電燃料裝卸料機(jī)料倉Ferguson齒輪隨動(dòng)滾輪，該頂絲表面采取了“發(fā)黑”處理，安裝使用不到兩年，在設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)斷裂，見圖2a)。

  圖2 斷裂頂絲宏觀形貌及有限元模擬結(jié)果

2. 事故調(diào)查與分析

經(jīng)事故調(diào)查，在不同的設(shè)備上共發(fā)現(xiàn)有10多個(gè)頂絲斷裂，其裝配情況和斷裂位置基本相同。該頂絲在設(shè)備上的安裝服役示意圖見圖2b)，正常情況下，頂絲依靠其頭部的圓錐體頂住滾輪螺紋部分的鍵槽部位，起定位和預(yù)防滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。頂絲擰進(jìn)去的深度大約為16mm，露在外面大約為8mm，頂絲總長(zhǎng)度為25.4mm。頂絲擰緊后再在露出部分緊固一個(gè)螺母，其目的是防止頂絲松動(dòng)脫落。

經(jīng)調(diào)查，安裝螺母時(shí)沒有對(duì)扭矩作要求，原則上擰緊即可。在使用過程中，頂絲和滾輪會(huì)一起反復(fù)浸入齒輪箱中的潤(rùn)滑油中。

按照實(shí)際頂絲的形狀、尺寸，以及裝配情況進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，然后采用Ansys軟件對(duì)頂絲的受力情況進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果如下：

①假設(shè)安裝時(shí)沒有螺母，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在錐部第一扣螺紋處，見圖2c)；

②實(shí)際裝配情況下，即頂絲外部有螺母時(shí)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在螺母與滾輪架接合處，見圖2d)，該最大受力位置與實(shí)際斷裂位置相吻合。

3. 失效分析

根據(jù)頂絲的理化檢驗(yàn)結(jié)果和斷口形貌分析結(jié)果判斷，該頂絲斷裂性質(zhì)為氫致延遲斷裂。

該頂絲的實(shí)際使用特點(diǎn)類似于螺栓，其硬度測(cè)試結(jié)果為476~482HV0.5，參考GB/T 3098.1－2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》，該硬度已經(jīng)超出了12.9級(jí)螺栓的維氏硬度范圍385~435HV10。螺栓的強(qiáng)度等級(jí)越高，其對(duì)氫脆型斷裂就越敏感。

由受力分析結(jié)果可知，頂絲未加裝螺母時(shí)，服役過程中靠近錐部第一扣螺紋側(cè)面承受最大拉應(yīng)力，但該部位頂絲的中心部位承受壓應(yīng)力，見圖2c)；若安裝扭矩較大時(shí)，靠近錐部的螺牙可能會(huì)發(fā)生斷裂，但頂絲整體不會(huì)發(fā)生斷裂。

加裝螺母后，頂絲受力特點(diǎn)與螺栓相似，服役過程中承受恒定拉應(yīng)力，有限元分析結(jié)果表明最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在螺母與滾輪架接合處，見圖2d)，該最大受力位置與頂絲實(shí)際斷裂位置相吻合。

4. 改進(jìn)措施

針對(duì)該次失效分析的結(jié)論，提出了以下兩個(gè)預(yù)防措施：

① 不加裝螺母，改用其他方法來預(yù)防頂絲滑脫；

② 降低頂絲的硬度(相當(dāng)于降低螺栓的強(qiáng)度等級(jí))，安裝時(shí)增加扭矩要求。

對(duì)于使用方來說，建議①比較容易實(shí)施，可從根本上解決問題；建議②涉及的實(shí)際硬度和扭矩都是未知數(shù)，需要進(jìn)一步驗(yàn)證，實(shí)施起來相對(duì)比較困難。

5. 整改后

后來用戶從實(shí)際設(shè)備的整體考慮，將該頂絲材料改為304不銹鋼（實(shí)際上是降低了螺栓強(qiáng)度等級(jí)），經(jīng)過兩年多的實(shí)際運(yùn)行，未再出現(xiàn)類似的斷裂事故。

案例3：地鐵列車減震總成中心銷失效分析與預(yù)防（優(yōu)化設(shè)計(jì)）

1. 事故背景與失效件宏觀形貌

地鐵列車減震總成上的中心銷在列車運(yùn)行21a(年)后發(fā)生了斷裂，斷裂位置見圖3a)，斷口形貌見圖3b)。中心銷材料為34CrNiMo6鋼，圖紙技術(shù)要求抗拉強(qiáng)度為800~1080MPa，已斷裂部分的螺母高度經(jīng)測(cè)量為57mm，斷裂的螺紋端長(zhǎng)度為90mm。

圖3 斷裂中心銷宏觀形貌及示意圖

經(jīng)實(shí)際稱重，斷裂部分的總質(zhì)量為2.965kg，見圖3c)；斷裂位于螺紋根部的過渡圓角處，該部位外圓尺寸為?46mm，過渡圓角半徑為R2.5mm，見圖3d)，螺紋部分公稱直徑為56mm。

圖3e)為中心銷實(shí)際裝配情況，可以看到正常服役時(shí)，斷裂的螺紋部分位于列車底部，處于懸空狀態(tài)，見橢圓形標(biāo)識(shí)。列車靜止時(shí)，斷裂部位只受到螺紋部分和螺帽的重力作用。

2. 理化檢驗(yàn)

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：斷裂中心銷的化學(xué)成分和拉伸性能符合技術(shù)要求；實(shí)際晶粒度等級(jí)為9.5~10級(jí)，夾雜物評(píng)定結(jié)果為A2.0，A1.0e，B0，C0，D0.5，橫向低倍和縱向低倍檢驗(yàn)均未見明顯異常，斷裂源處、斷口處的顯微組織與遠(yuǎn)離斷口處基體的一致，均為回火索氏體＋少量鐵素體，斷口上可觀察到少量夾雜物；斷口宏觀分析和掃描電鏡(SEM)微觀分析均表明該中心銷斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，疲勞源位于螺紋端與銷桿的過渡圓角處，該部位存在周向分布的機(jī)械加工刀痕，過渡圓角半徑經(jīng)測(cè)量符合技術(shù)要求，疲勞斷裂源相對(duì)分布，為雙向彎曲疲勞斷裂。

3. 現(xiàn)場(chǎng)勘查

現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)發(fā)現(xiàn)，正常裝配情況下，螺紋部分處于懸空狀態(tài)，但列車在啟動(dòng)或剎車時(shí)會(huì)產(chǎn)生加速度，懸空的螺紋部分會(huì)受到慣性力的作用，力的大小遵循牛頓第二定律，即F＝ma(F為作用力，m為質(zhì)量，a為加速度)，該力的大小與斷裂部分的質(zhì)量以及加速度均成正比。懸空的螺紋部分類似于一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，螺紋端與銷桿過渡圓角處承受最大的彎矩和彎曲應(yīng)力。過渡圓角處外圓直徑為46mm，螺紋外徑為56mm，可見斷裂處尺寸相對(duì)較小，R2.5mm處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，該部位的周向加工刀痕還會(huì)增加應(yīng)力集中的程度，因而該部位容易萌生疲勞裂紋，成為疲勞裂紋源。

4. 失效原因

該中心銷斷裂失效分析的結(jié)論為：

① 斷裂的中心銷材料質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果符合相關(guān)技術(shù)要求；

② 中心銷斷裂性質(zhì)為雙向彎曲疲勞斷裂，列車在啟動(dòng)或剎車時(shí)產(chǎn)生的加速度導(dǎo)致懸空的螺紋部分產(chǎn)生慣性力，該力的大小遵循牛頓第二定律，過渡圓角處較小的尺寸以及該部位的周向加工刀痕均會(huì)增加該處應(yīng)力集中的程度，使該處容易萌生疲勞裂紋。

5. 改進(jìn)措施

根據(jù)該失效分析結(jié)論和現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，提出的預(yù)防措施如下：

①增大過渡圓角處的外圓尺寸?值和過渡圓角半徑R值；

③ 提高過渡圓角位置的表面加工質(zhì)量，減輕螺母的質(zhì)量。

6. 整改后

由于中心銷的原設(shè)計(jì)壽命為30a，斷裂時(shí)已經(jīng)服役了21a，考慮到減震總成的整體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)方同意將原來的R2.5mm提高到R5mm，用墊片解決了螺紋根部的緊固問題。各種理論計(jì)算結(jié)果表明：改進(jìn)后的中心銷其疲勞壽命有了較大幅度的提高，完全可以達(dá)到30a的使用壽命。