張金元 田龍 張黎明
摘要: 某電廠等級(jí)檢修中發(fā)生一起合金雙頭螺栓斷裂事件?,F(xiàn)場排查對(duì)比分析,緊固螺栓采用的氣扳機(jī)規(guī)格太大造成過扭矩,導(dǎo)致合金雙頭螺栓拉伸塑性變形,個(gè)別累計(jì)緊固時(shí)間長、累計(jì)扭矩過大最終導(dǎo)致其中一個(gè)螺栓斷裂。更換斷裂的螺栓,機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行。不同規(guī)格螺栓緊固應(yīng)選擇適配規(guī)格的氣扳機(jī),科學(xué)操作,避免累計(jì)時(shí)間長、累計(jì)扭矩過大的問題。建議檢修工藝中增加螺栓緊固前后長度測量對(duì)比過程,以及排查在役設(shè)備可能存在塑性變形損傷螺栓的工作。
關(guān)鍵詞: 合金螺栓;風(fēng)動(dòng)扳手;塑性變形
1. 概況
河南省某電廠,2×210MW供熱機(jī)組,哈爾濱汽輪機(jī)廠C160/N210-12.75/535/535型超高壓、一次中間再熱、雙缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。#1、2機(jī)組分別于2008年3月、6月投入商業(yè)運(yùn)營。
該機(jī)組中壓導(dǎo)汽管道額定工作壓力2.53MPa,額定工作溫度為535℃,導(dǎo)汽管道法蘭緊固雙頭螺栓規(guī)格為M30×150,材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB。
#1機(jī)組2012年完成首次A修,2014年完成首次B修,2018年9-10月份,完成第二次B級(jí)檢修。
2018年10月11日,該電廠#1機(jī)組B修回裝過程,在進(jìn)行中壓導(dǎo)汽管道法蘭雙頭螺栓緊固時(shí),采用上海民生電器廠生產(chǎn)的BE56型號(hào)儲(chǔ)能沖擊式氣扳機(jī)(也即風(fēng)動(dòng)扳手)緊固螺栓,發(fā)生一起合金雙頭螺栓一根斷裂的事件。
2018年10月24日機(jī)組啟動(dòng)至發(fā)稿時(shí),該電廠#1機(jī)組運(yùn)行正常,待供熱期后擇機(jī)停機(jī)更換所有存在塑性變形的雙頭螺栓。
2. 斷裂螺栓斷口特征情況
斷裂中壓導(dǎo)汽管螺栓斷口發(fā)生在雙頭螺栓中間光桿處,斷口基本在光桿的中間部位,螺栓斷口處兩端光桿均明顯拉伸變細(xì),呈現(xiàn)錐臺(tái)狀,拉伸導(dǎo)致斷口處直徑最細(xì)。斷口處無夾渣等材質(zhì)缺陷,無老、舊裂紋痕跡。
3. 螺栓斷裂原因分析
哈汽廠設(shè)計(jì)中壓導(dǎo)汽管道法蘭緊固雙頭螺栓規(guī)格為M30×150,材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB?,F(xiàn)場光譜分析及查看該批次螺栓生產(chǎn)廠家材質(zhì)報(bào)告,材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB一致、正確。雖然螺栓規(guī)格小,現(xiàn)場無法進(jìn)行硬度檢測,但是查看廠家報(bào)告顯示檢測材料硬度約HB275(該材質(zhì)硬度值標(biāo)準(zhǔn)為HB255-293)合格,熱處理工藝符合要求,拉伸強(qiáng)度等指標(biāo)在合格范圍內(nèi)。
斷裂螺栓斷口發(fā)生在雙頭螺栓中間光桿處,螺栓斷口處兩端光桿均明顯拉伸變細(xì),斷口處無夾渣等材質(zhì)缺陷,無老、舊裂紋痕跡,通過斷口特征判定,該螺栓拉伸塑性變形過大而最終斷裂。
螺栓加工制造廠家提供的出廠檢測報(bào)告,熱處理工藝符合要求,硬度合格,拉伸強(qiáng)度等指標(biāo)在合格范圍內(nèi),說明螺栓的材質(zhì)及加工制造質(zhì)量合格,滿足使用要求。螺栓被拉伸后均勻的塑性變形,拉伸塑性變形逐步增大,先變細(xì)最終斷裂,均勻的、逐步變細(xì)的縮頸特征,一方面充分說明螺栓材料有良好的塑性和韌性,另一方面說明緊固過程中扭矩載荷過大引起螺栓受到的拉伸應(yīng)力過大,已超過其自身允許的屈服強(qiáng)度,產(chǎn)生塑性變形,最終超出抗拉強(qiáng)度拉伸塑性變形過大而斷裂。
4. 螺栓緊固扭矩過大的原因分析
4.1螺栓緊固前后光桿處直徑及總長度變化證明扭矩過大
同批次新購雙頭螺栓安裝緊固過程中,采用同一臺(tái)BE56型號(hào)儲(chǔ)能沖擊式氣扳機(jī)緊固螺栓時(shí),會(huì)導(dǎo)致螺栓光桿處直徑變細(xì)約0.5mm;長度方向變長0.5-1mm,存在明顯拉伸塑性變形情況,證明BE56型號(hào)氣扳機(jī)緊固M30螺栓時(shí)存在扭矩過大問題。
4.2 存在BE56型號(hào)儲(chǔ)能沖擊式氣扳機(jī)規(guī)格偏大過扭矩問題
《國產(chǎn)沖擊式氣扳機(jī)述評(píng)》,BE56型號(hào)儲(chǔ)能沖擊式氣扳機(jī)緊固螺栓適合螺紋范圍應(yīng)該是M44-M56,其驗(yàn)收扭矩為4903N.m,實(shí)際現(xiàn)場氣扳機(jī)銘牌標(biāo)注擰緊扭矩高達(dá)6370N.m,而M30螺栓應(yīng)采用BE30型號(hào)儲(chǔ)能沖擊式氣扳機(jī),其驗(yàn)收扭矩為883N.m,二者驗(yàn)收扭矩相差5-6倍,則因BE56型號(hào)氣扳機(jī)規(guī)格偏大,造成緊固M30螺栓時(shí)存在扭矩過大問題。
4.3沖擊式氣扳機(jī)工作特性存在扭矩過大風(fēng)險(xiǎn)
工作過程中沖擊式氣扳機(jī)輸出扭矩不穩(wěn)定,隨著工作時(shí)間的延長而增加,也即隨著持續(xù)累計(jì)時(shí)間的延長,沖擊式氣扳機(jī)輸出的累計(jì)扭矩會(huì)增大,所以實(shí)際操作時(shí)不易控制,即使配備有定扭矩輸出控制機(jī)構(gòu),效果也不理想,故,沖擊式氣扳機(jī)累計(jì)扭矩增大的工作特性易造成扭矩過大。
綜上所述,一方面因BE56型號(hào)氣扳機(jī)規(guī)格偏大,造成緊固M30螺栓時(shí)存在扭矩過大問題,另一方面,工作過程中沖擊式氣扳機(jī)輸出扭矩不穩(wěn)定存在扭矩偏大的情況,再一點(diǎn),沖擊式氣扳機(jī)累計(jì)時(shí)間持續(xù)長、累計(jì)扭矩增大的工作特性更易造成扭矩過大,三方面因素作用,造成M30合金雙頭螺栓因扭矩過大而拉伸塑性變形,最終因其中一根緊固累計(jì)時(shí)間過長而累計(jì)扭矩過大導(dǎo)致其斷裂。
5. 螺栓斷裂事件處理情況
首先,該電廠#1機(jī)2012年首次A修,2014年首次B修,2018年第二次B修,均是同一個(gè)檢修公司,同一臺(tái)BE56型號(hào)氣扳機(jī),相同的緊固工藝,該中壓導(dǎo)汽管道法蘭螺栓緊固因扭矩過大而拉伸塑性變形的問題應(yīng)該是存在已久。如表1數(shù)據(jù)顯示,螺栓編號(hào)為8、9的螺栓,即是#1機(jī)B修過程中拆卸下來經(jīng)過長期運(yùn)行服役后的舊螺栓,同樣存在螺栓光桿處直徑變細(xì)約0.5mm;長度方向變長0.5-1mm,也即也存在明顯拉伸塑性變形情況,說明2014年首次B修期間,也存在螺栓過扭矩拉伸塑性變形的情況。
申報(bào)需求計(jì)劃,重新采購全新螺栓,擇機(jī)予以更換所有中壓導(dǎo)汽管道法蘭緊固螺栓,確保機(jī)組運(yùn)行安全。
2018年第二次機(jī)組B修工期已到,而采購全新螺栓尚需時(shí)日才能到貨,參考編號(hào)為8、9的螺栓在相同塑性變形情況下已經(jīng)保證機(jī)組長期安全運(yùn)行的經(jīng)歷,鑒于彈性鋼材有屈服到一定程度后,其內(nèi)部晶粒重新排列后抵抗變形能力會(huì)提高的特性,故決定暫時(shí)僅更換斷裂的螺栓,保持現(xiàn)狀確保機(jī)組修后整組啟動(dòng)運(yùn)行,后續(xù)備件螺栓到貨后,再行停機(jī)機(jī)會(huì)予以全部重新更換所有變形伸長的雙頭螺栓。
該廠#1機(jī)組B修后啟動(dòng)運(yùn)行正常,目前進(jìn)入采暖季供熱期,待供熱期后擇機(jī)停機(jī)檢修予以螺栓更換事宜。
6. 結(jié)語
6.1 氣扳機(jī)存在規(guī)格大小,對(duì)應(yīng)不同規(guī)格螺紋螺栓緊固時(shí)應(yīng)選擇適配規(guī)格的氣扳機(jī)。杜絕氣扳機(jī)規(guī)格選型偏大,輸出扭矩過大帶來螺栓拉伸應(yīng)力超限,超過螺栓自身材料允許的屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生塑性變形,甚至超出抗拉強(qiáng)度拉伸塑性變形過大而導(dǎo)致螺栓斷裂的問題。
6.2氣扳機(jī)操作過程中,應(yīng)遵循廠家說明書,科學(xué)操作確保合理緊固累計(jì)時(shí)間,避免緊固累計(jì)時(shí)間過長帶來累計(jì)扭矩增大引起過扭矩,造成螺栓拉伸塑性變形甚至斷裂的問題。
6.3由于氣扳機(jī)存在輸出扭矩不確定、不精準(zhǔn)的問題,建議高溫高壓系統(tǒng)檢修工藝中增加螺栓緊固前后長度測量對(duì)比過程,一旦發(fā)現(xiàn)存在螺栓拉伸塑性變形的異常情況,應(yīng)采取改進(jìn)螺栓緊固工藝、工具及必要的螺栓更換等技術(shù)措施,避免受傷螺栓服役帶來更大不安全問題。
6.4所述超屈服強(qiáng)度已塑性變形損傷的螺栓服役的案例,是在充分對(duì)比不同時(shí)期相同螺栓塑性變形程度,慎重評(píng)估決策的臨時(shí)應(yīng)急方案,借鑒需謹(jǐn)慎。鑒于可能存在因檢修過程中使用氣扳機(jī)緊固導(dǎo)致塑性變形而損傷的螺栓服役的情況,強(qiáng)烈建議各電廠及其它行業(yè)加大排查力度及排查范圍,確保在役設(shè)備上塑性變形損傷的螺栓能盡早發(fā)現(xiàn),通過螺栓更換等措施消除重大安全隱患。
參考文獻(xiàn):
1. 《國產(chǎn)沖擊式氣扳機(jī)述評(píng)》.上海民主電器廠.朱鶴齡.
作者簡介:張金元(1978-),男(漢族),河南省南陽市社旗縣人,本科學(xué)歷。