張金禮，李開(kāi)盈，張精干

（1.中國(guó)核電工程有限公司，浙江嘉興 314300；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

某核電廠低壓進(jìn)汽聯(lián)通管和再熱汽門布置如圖1 所示。低壓進(jìn)汽導(dǎo)管是每臺(tái)低壓缸的進(jìn)汽通道，聯(lián)通汽水分離再熱器（MSR）和低壓缸，兩臺(tái)MSR 再熱后的蒸汽經(jīng)聯(lián)通管匯流后進(jìn)入低壓缸內(nèi)做功。聯(lián)通管工作壓力為低壓缸進(jìn)汽壓力0.978 MPa，工作溫度為額定蒸汽溫度265.2 ℃。聯(lián)通管上布置12 臺(tái)再熱調(diào)門和再熱主汽門，當(dāng)汽機(jī)跳閘后動(dòng)作，起蒸汽截流和超速保護(hù)功能。

圖1 聯(lián)通管和再熱汽門布置

聯(lián)通管和再熱汽門法蘭單片設(shè)計(jì)螺栓44 顆，單機(jī)組裝機(jī)量44×6=264 顆；再熱門法蘭單片設(shè)計(jì)螺栓44 顆，六角頭螺栓單機(jī)組裝機(jī)量44×2×12=1056 顆。

螺栓型式為六角頭螺栓，規(guī)格M24×2-6g，材料5Cr2MoVA-Ⅱ，強(qiáng)度等級(jí)735；螺母型式為六角螺母，規(guī)格M24×2-6H，材料25Cr2MoVA-Ⅱ，強(qiáng)度等級(jí)590。

1 缺陷描述

機(jī)組大修期間，因檢修工作需要執(zhí)行3 臺(tái)低壓缸進(jìn)汽聯(lián)通管以及11 臺(tái)再熱汽門的拆裝，期間發(fā)生聯(lián)通管和再熱汽門法蘭螺栓大面積咬死、無(wú)法正常拆卸現(xiàn)象。

檢修工作共涉及1232 顆螺栓的拆卸，現(xiàn)場(chǎng)首先采用敲擊扳手人工拆卸的方法進(jìn)行拆除，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操，工作進(jìn)展極慢、效率極低，4 h 內(nèi)完成了9 顆螺栓的拆卸工作，其中2 顆螺栓咬死無(wú)法拆除。后改用液壓扳手拆卸，螺栓咬死率大幅度升高，經(jīng)統(tǒng)計(jì),發(fā)生咬死的螺栓共計(jì)1000 余顆，占比約80%。

螺栓、螺母等緊固件屬于檢修工作的B 類備件，即非必?fù)Q件。螺栓、螺母的設(shè)計(jì)和選型應(yīng)滿足足夠的強(qiáng)度，提供足夠的緊固力矩。正常螺栓、螺母等緊固件應(yīng)能夠自由拆裝，并重復(fù)使用。

2 原因分析

2.1 檢修缺陷情況統(tǒng)計(jì)

對(duì)檢修過(guò)程中螺栓損傷情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如下：

（1）3 號(hào)機(jī)前一次大修期間執(zhí)行3 號(hào)低壓缸全面解體檢查，拆卸3 號(hào)低壓缸聯(lián)通管，涉及螺栓88 顆，咬死更換79 顆，咬死比例90%。

（2）4 號(hào)機(jī)前一次大修期間執(zhí)行3 號(hào)低壓缸全面解體檢查，拆卸3 號(hào)低壓缸聯(lián)通管，涉及螺栓88 顆，咬死更換80 顆，咬死比例91%。

2.2 螺栓材質(zhì)和力學(xué)分析

從失效的螺栓中隨機(jī)選取斷裂螺栓3 顆，完整螺栓1 顆、螺母3 顆，分析如下；

（1）宏觀檢查。螺栓斷裂位置位于與螺母嚙合的第一個(gè)螺牙的牙底附近，斷口有扭轉(zhuǎn)塑性變形特征，近斷口螺紋有較嚴(yán)重的螺紋變形和材料脫落，螺栓螺紋缺損比螺母更為嚴(yán)重；螺栓表面呈紅褐色，有明顯的浮銹（圖2）。

圖2 螺栓螺母斷口形貌

（2）化學(xué)成分分析。利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和C、S 分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果和B/HJ 416—2004 和GB/T 3077—1999 的成分要求進(jìn)行對(duì)比，螺栓、螺母的化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材質(zhì)的成分的相關(guān)要求（表1）。

表1 螺栓螺母化學(xué)成分分析結(jié)果 wt%

（3）硬度測(cè)試。螺栓、螺母的設(shè)計(jì)材料強(qiáng)度等級(jí)分別是735和590，試樣表面經(jīng)金相砂紙磨光，并進(jìn)行拋光處理，采用臺(tái)式布氏硬度計(jì)測(cè)試，測(cè)試發(fā)現(xiàn)螺母的硬度值略高于螺栓，且高于B/HJ 416—2004 標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值。

標(biāo)準(zhǔn)：螺栓（735）強(qiáng)度等級(jí)269～302 HB/螺母（590）強(qiáng)度等級(jí)241～277 HB。

螺栓（735）測(cè)量值/HB：274、291、283、272，平均值/HB：280。

螺母（590）測(cè)量值/HB：295、278、284、286，平均值/HB：286。

（4）力學(xué)性能測(cè)試：對(duì)螺栓取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和室溫沖擊試驗(yàn)，拉伸試樣采取直徑10 mm 的圓棒狀標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒，在精密電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》。采用沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)送檢螺栓取樣進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，螺栓的力學(xué)性能數(shù)值均滿足B/HJ 416—2004 中材料的力學(xué)性能指標(biāo)（表2）。

表2 螺栓力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

（5）金相和夾雜檢驗(yàn)。在金相顯微鏡下對(duì)螺栓螺母進(jìn)行金相和非金屬夾雜檢驗(yàn)，參照GB/T 10561—2005，用A 法檢驗(yàn)整個(gè)試樣拋光面進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí)：螺栓、螺母金相組織主要由回火索氏體、少量回火馬氏體和少量鐵素體組成，為正常組織，平均晶粒度均在5 級(jí)以上，符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)B/HJ 416—2004 平均晶粒度不粗于4 級(jí)的規(guī)定；非金屬夾雜在正常范圍內(nèi)。

綜上，螺栓、螺母材料的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能等未見(jiàn)明顯異常，螺母材料硬度高于螺栓，且高于相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 螺栓受力分析

螺栓最大擰緊力矩計(jì)算：螺栓材料的屈服極限σs=735 MPa，螺栓公稱直徑d=24 mm，螺牙高度p=3 mm；螺栓橫截面積S=1/4π（d-0.9382p）=352.3 mm；螺栓最大預(yù)緊力F=σsS=258 940 N；擰緊力矩系數(shù)K 取0.18，則螺栓最大擰緊力矩T=KdF=1118.6 N·m。

根據(jù)低壓進(jìn)汽管的拆裝維修規(guī)程，螺栓安裝緊固力矩800 N·m，低于其最大允許擰緊力矩。但現(xiàn)場(chǎng)采用液壓扳手緊固和拆卸螺栓過(guò)程中，液壓扳手需以相近的導(dǎo)汽管外壁作為支靠點(diǎn)，被緊固的螺母除承受扭矩作用外還受偏載作用力影響，螺栓和螺母的螺紋在即將緊固完成時(shí)承受最大的應(yīng)力作用，在此臨界狀態(tài)下螺母共受3 個(gè)力作用：①扭矩800 N·m；②偏載作用力，螺栓中心線與液壓扳手支靠點(diǎn)的距離是130 mm，扭矩800 N·m，從而得出偏載力6154 N；③螺栓伸長(zhǎng)獲得的預(yù)緊力，取扭矩系數(shù)為0.18，可得螺栓載荷約為180 kN。

針對(duì)以上受力建模進(jìn)行有限元分析（圖3）：對(duì)左側(cè)螺栓加力，右側(cè)不做加力處理，僅需看左側(cè)即可。螺母受力載荷為：D—800 N·m扭矩、E—6154 N 偏載力、A—180 kN 預(yù)緊力。

圖3 螺栓應(yīng)力模型

螺栓等效應(yīng)力云圖顯示：螺栓承受最大應(yīng)力為997.37 MPa，應(yīng)力最大點(diǎn)處于螺栓與螺母嚙合第一扣螺紋處，遠(yuǎn)超過(guò)材料屈服強(qiáng)度值785 MPa，且區(qū)域較大，有很大可能是造成螺紋形變乃至咬牙的重要原因。

螺母等效應(yīng)力云圖顯示：六角螺母承受的最大應(yīng)力為740.12 MPa，位于與螺栓嚙合的第一扣螺紋處，也已經(jīng)遠(yuǎn)超其屈服強(qiáng)度590 MPa，導(dǎo)致安全余量不足，多次使用后有螺紋形變的可能。

2.4 其他可能原因

（1）在螺栓、螺母的安裝緊固過(guò)程中，螺牙旋轉(zhuǎn)配合情況受多重因素影響，包括螺母緊固受力方向、螺栓緊固法蘭面的表面情況、螺牙表面清潔情況等，任何一種因素都可能導(dǎo)致螺栓、螺母的螺牙配合無(wú)法按照理想狀態(tài)進(jìn)行，從而產(chǎn)生螺牙磨損和損傷的可能，帶來(lái)螺栓咬死隱患。

（2）現(xiàn)場(chǎng)檢查聯(lián)通管法蘭面表面，因螺栓多次緊固和拆裝，法蘭表面已產(chǎn)生明顯的擠壓凹槽。因此存在螺栓緊固過(guò)程中因螺牙配合不良，咬牙、損傷導(dǎo)致咬死的可能。

（3）聯(lián)通管法蘭和再熱門法蘭螺栓在接近280 ℃的高溫條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，存在一定的高溫氧化、銹蝕現(xiàn)象，在斷裂螺栓的宏觀檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)螺栓表面呈紅褐色，有明顯的浮銹。螺紋氧化、銹蝕會(huì)導(dǎo)致螺牙間配合間隙減小，給螺栓拆卸帶來(lái)一定影響。一般情況下，螺栓的拆卸應(yīng)通過(guò)合適的力矩反復(fù)松緊并敲擊、潤(rùn)滑來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)利用液壓扳手直接以2000 N·m 力矩拆松螺栓，一方面可能因力矩過(guò)大導(dǎo)致螺牙屈服變形，另一方面也可能破壞螺栓表面的氧化、銹蝕層，造成氧化、銹蝕產(chǎn)物在螺紋間發(fā)生積聚，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓完全卡死無(wú)法拆卸。

綜合上述，現(xiàn)行螺栓的安裝緊固方式造成緊固過(guò)程中螺栓、螺母受力超出其屈服極限，引起螺牙屈服變形是螺栓咬死的主要原因；另外，螺栓緊固的法蘭表面情況不佳、螺栓拆卸工藝不合理等也對(duì)螺栓咬死有一定的影響。

3 處置策略及可行性分析

（1）螺栓、螺母規(guī)格變更，選用更大尺寸、強(qiáng)度等級(jí)更高的螺栓和螺母，緩解螺栓咬死問(wèn)題。但由于再熱汽門閥體法蘭設(shè)計(jì)已固化，此方案僅適用于聯(lián)通管法蘭螺栓，針對(duì)再熱門法蘭螺栓并不適用，且需要對(duì)聯(lián)通管法蘭進(jìn)行整體設(shè)計(jì)變更以滿足更大規(guī)格螺栓的安裝空間需求。

（2）優(yōu)化螺栓安裝和拆卸工藝，禁止使用液壓工具安裝和拆卸螺栓。通過(guò)力矩扳手安裝螺栓可避免偏載作用力的影響，降低螺栓安裝應(yīng)力，能在一定程度上緩解螺栓屈服變形進(jìn)而降低螺栓咬死概率。選用此方案會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)螺栓的安裝和拆卸時(shí)間造成一定影響，影響檢修工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度。

（3）在不改變螺栓規(guī)格的情況下，選用新型螺母對(duì)現(xiàn)有螺母進(jìn)行替代更換：①選用洛帝牢多頂推超級(jí)螺母；②選用凱特克機(jī)械拉伸螺母。此兩種螺母的設(shè)計(jì)都能有效避免螺栓緊固過(guò)程的偏載力，降低螺栓安裝應(yīng)力，減小螺栓變形咬死的可能。但選用此方案的成本投入較高，其中洛帝牢螺母單價(jià)約4000 元，凱特克機(jī)械拉伸螺母單價(jià)約3000 元，現(xiàn)有螺栓螺母一套單價(jià)約400 元，按照檢修周期計(jì)算，分別需45 年、34 年方可收回螺母采購(gòu)成本。

（4）維持現(xiàn)有螺栓、螺母規(guī)格型號(hào)以及緊固拆卸方式不變，將螺栓、螺母按照必?fù)Q件進(jìn)行管理。此方案下螺栓咬死問(wèn)題無(wú)法有效避免，咬死量大，需采用破壞性方式拆卸螺栓，備件消耗量大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)核電廠因檢修工作需要執(zhí)行低壓缸進(jìn)汽聯(lián)通管以及再熱汽門的拆裝，期間發(fā)生聯(lián)通管和再熱汽門法蘭螺栓大面積咬死、無(wú)法正常拆卸現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，總結(jié)處置策略。經(jīng)過(guò)綜合考量投入和產(chǎn)出、時(shí)間窗口以及成本等各方面因素，選用合適的處置策略，最終將聯(lián)通管和再熱汽門法蘭螺栓、螺母做必?fù)Q件管理，執(zhí)行定期備件更換，將維修程序文件進(jìn)行改善和升版。通過(guò)分析總結(jié)，為其他核電機(jī)組類似缺陷源問(wèn)題分析提供借鑒和參考。