核電機(jī)組二回路主蒸汽隔離閥螺栓“咬死”原因分析

胡明磊，張　維，羅坤杰，王　力

（1. 中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江　海鹽　314300；2. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇　蘇州　215400）

核電機(jī)組二回路主蒸汽隔離閥螺栓“咬死”原因分析

胡明磊1，張維1，羅坤杰2，王力2

（1. 中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽314300；2. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215400）

某核電廠新建機(jī)組第一次大修期間，對(duì)主蒸汽隔離閥進(jìn)行解體檢修，發(fā)現(xiàn)多個(gè)閥蓋螺栓與螺母發(fā)生了“咬死”現(xiàn)象，拆卸過程中個(gè)別螺栓甚至被擰斷，對(duì)失效的螺栓、螺母進(jìn)行了理化檢驗(yàn)。成分分析表明，螺栓、螺母材料符合標(biāo)準(zhǔn)要求；硬度試驗(yàn)表明，螺母硬度值比螺栓高47 HB；金相分析表明，螺母組織為回火馬氏體+回火索氏體，螺栓組織為回火索氏體。螺栓、螺母硬度值的不合理匹配，是二者發(fā)生“咬死”現(xiàn)象及拆卸過程中個(gè)別螺栓被擰斷的根本原因。

螺栓；螺母；硬度；回火馬氏體

某核電廠新建機(jī)組第一次換料大修期間，對(duì)二回路主蒸汽隔離閥進(jìn)行解體檢修。工作人員在閥體拆卸過程中發(fā)現(xiàn)，閥蓋多個(gè)雙頭螺栓上端，螺紋與螺母之間發(fā)生“咬死”現(xiàn)象，難以拆卸（見圖1）。為了將螺栓順利擰開，工作人員加大扭矩，結(jié)果多個(gè)螺栓表面螺牙發(fā)生塑性變形，嚴(yán)重?fù)p壞，甚至個(gè)別螺栓被擰斷。斷裂位置位于螺栓下端閥體內(nèi)部，閥體的內(nèi)螺紋也有不同程度的損壞，給閥門解體檢修及后續(xù)安裝，甚至機(jī)組檢修工作帶來了極大不便。為了查明螺栓“咬死”的原因，本文進(jìn)行了失效分析。

圖1　“咬死”的螺栓、螺母Fig.1　Scuffed bolt/nut and broken bolt

1　試驗(yàn)結(jié)果與討論

1.1化學(xué)成分分析

利用OPTIMA 2100DV型全譜直讀等離子體光譜儀和CS-902G型高頻紅外碳硫分析儀對(duì)發(fā)生“咬死”的螺栓、螺母進(jìn)行化學(xué)成分分析。螺栓材料為ASME SA193-B7，螺母材料為ASME SA194-7，材料成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2硬度分析

利用H B S-3000布氏硬度計(jì)，根據(jù)G B/ T 231.1—2009《金屬布氏硬度試驗(yàn)第一部分 試驗(yàn)方法》，對(duì)螺栓、螺母硬度進(jìn)行檢測(cè)，為使結(jié)果更加準(zhǔn)確，螺母硬度測(cè)試面為橫截面和側(cè)面，螺栓由于受形狀限制只能檢測(cè)橫截面，硬度測(cè)點(diǎn)位置及測(cè)量結(jié)果如圖2、圖3所示，螺母的平均硬度比螺栓高47 HB。

1.3組織分析

（1）夾雜物分析

圖2　螺母硬度測(cè)試面Fig.2　Hardness test section of nut

夾雜物分析采用標(biāo)準(zhǔn)G B/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，結(jié)果如圖4所示。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，螺栓夾雜物為A2，螺母夾雜物為D1.5，未見其他類型的夾雜物。

圖3　螺栓硬度測(cè)試面Fig.3　Hardness test section of bolt

（2）組織分析

螺栓、螺母組織金相分析結(jié)果如圖5所示。螺栓組織為回火索氏體，螺母組織為回火馬氏體+回火索氏體。

1.4“咬死”原因分析

圖4　夾雜物分析Fig.4　Inclusion analysis

圖5　螺栓、螺母組織分析Fig.5　Microstructural analysis

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［1-3］及經(jīng)驗(yàn)反饋，螺栓與螺母發(fā)生“咬死”的可能原因有：牙紋粗糙、防咬劑選擇不當(dāng)、拆裝不規(guī)范（降溫未到達(dá)要求即拆卸，安裝順序不對(duì)）、選材不當(dāng)（螺絲的抗拉強(qiáng)度和螺帽的安全負(fù)荷不滿足使用要求，易導(dǎo)致螺紋塑性變形而“咬死”，螺栓、螺母硬度不匹配），螺栓尺寸存在偏差等。“咬死”螺栓使用的防咬劑為N5000鎳基抗咬合劑，該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電廠其他類似位置，從使用結(jié)果來看，該防咬劑防咬合效果較好，完全滿足使用要求。閥體的緊固螺栓在安裝及拆卸過程嚴(yán)格按照電廠相關(guān)管理程序的規(guī)程來操作，并未出現(xiàn)降溫未達(dá)到要求拆卸、安裝順序不對(duì)、上鎖過快及載荷偏斜現(xiàn)象。此外，螺栓在高溫運(yùn)行前，在冷調(diào)試階段安裝人員拆卸及安裝多次，并未出現(xiàn)“咬死”現(xiàn)象，表明螺栓表面無異常、且制造尺寸沒有較大偏差，符合拆裝要求。送檢的螺栓、螺母的理化分析表明，螺栓、螺母成分符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。螺母組織為回火馬氏體+回火索氏體，平均硬度為313.7 HB；螺栓組織為回火索氏體，平均硬度為266.5 HB。對(duì)于高溫使用的緊固件，若螺栓硬度遠(yuǎn)低于螺母硬度，則在緊固件安裝拆卸過程中，螺栓螺牙易發(fā)生微量磨損變形，甚至局部部位螺栓與螺母直接貼合，減弱抗咬合劑的使用效果，在高溫長(zhǎng)期服役時(shí)極易發(fā)生“咬死”。因此，為減少磨損防止高溫服役環(huán)境下螺紋“咬死”，DL438—2000《火力發(fā)電廠金屬監(jiān)督技術(shù)規(guī)程》、DL439—1991《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》明確規(guī)定，對(duì)于高溫長(zhǎng)期使用的螺栓及螺母，螺栓硬度應(yīng)比配對(duì)螺母硬度高30～50 HB。本文發(fā)生“咬死”的螺栓、螺母位于核電廠二回路主蒸汽隔離閥，使用溫度為230～240 ℃，屬于核電廠的高溫緊固件。螺栓硬度值比螺母硬度值低了47 HB，硬度值不匹配，這是造成螺栓、螺母發(fā)生“咬死”的根本原因?！耙馈焙螅趶?qiáng)行拆卸過程中，螺栓因硬度低，強(qiáng)度相對(duì)也較低，個(gè)別螺栓被擰斷。

SA194-GR7螺母按照ASME SA194標(biāo)準(zhǔn)制造，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定GR7的螺母需在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)中淬火，并在不低于595 ℃的溫度下回火，因此其組織應(yīng)為回火索氏體，而非回火馬氏體+回火索氏體。金相組織表明，螺母在制造過程中的回火溫度偏低。SA193-GRB7螺栓按照ASME SA193標(biāo)準(zhǔn)制造，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定GRB7的螺栓件應(yīng)在液體介質(zhì)中淬火及回火，但并未明確規(guī)定回火溫度要求。送檢螺栓的金相組織為回火索氏體，因此推斷螺栓采用的是高溫回火。對(duì)比SA193-GRB7和 SA194-GR7，兩種材料的成分幾乎相同，淬透性和淬硬性也幾乎相同，若要將兩者材料匹配成高溫長(zhǎng)期用緊固件，并實(shí)現(xiàn)螺栓硬度比螺母高30～50 HB，在滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定螺母材料回火溫度需≥595 ℃的前提下，螺栓材料的回火溫度需適當(dāng)?shù)陀诼菽覆牧系幕鼗饻囟龋苊獾谝活惡偷诙惢鼗鸫嘈浴?/p>

2　結(jié)論與建議

1）送檢螺栓和螺母化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。螺母組織為回火馬氏體+回火索氏體，螺栓組織為回火索氏體，螺母硬度值比螺栓高47 HB，金相組織的不合理匹配，造成了螺栓、螺母硬度值的不合理匹配，這是螺栓、螺母發(fā)生“咬死”以及在拆卸過程中部分螺栓被擰斷的根本原因。

2）建議核電廠對(duì)高溫用螺栓、螺母加強(qiáng)役前檢查及在役檢查，螺栓、螺母應(yīng)使用不同強(qiáng)度等級(jí)的材料，確保硬度值匹配，避免此類“咬死”及螺栓被擰斷事件再次發(fā)生。

［1］ 王鑒.5號(hào)汽輪機(jī)氣缸結(jié)合面螺栓失效原因分析［J］.冶金動(dòng)力，1998，5：27-31.（WANG Jian. Failure cause analysis for the junction plane bolt of 5# turbine cylinder ［J］. Metallurgy Dynamics， 1998，5：27-31.）

［2］ 劉麗軍，張洪斌.汽輪機(jī)氣缸螺栓咬死的原因及對(duì)策［J］.一重技術(shù)，2004，2：70-71.（LIU LI-jun，ZHANG Hong-bin. Causes and countermeasures for turbine cylinder bolt seizure ［J］ Technologies of CFHI， 2004， 2：70-71.）

［3］ 樂淑芳，袁啟民.在役高溫螺栓失效原因分析［J］.河北電力技術(shù)，1999，1（18）：54-56.（YUE Shufang， YUAN Qi-min. Failure cause analysis for the in-service high temperature bolt ［J］. Hebei Electric Power Technologies， 1999，1（18）：54-56.）

Cause Analysis of an Scuffed Bolt of Main Steam Isolation Valve

HU Ming-lei1，ZHANG Wei1，LUO Kun-jie2，WANG Li2
（1. CNNC Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China； 2. Suzhou Nuclear Power Institute，Suzhou of Jiangsu Prov. 215400，China）

Some bolts and nuts of main steam isolation valve were found scuffed during the first refueling outage in new nuclear power plant. Several bolts were broken during the disassembly process. Physical and chemical inspection were conducted. The results shows that the composition of both bolts and nuts is in accordance with ASME standard. The hardness value of nut is 47HB greater than that of bolt. The microstructure of nut is tempered martensite and tempered sorbite. The microstructure of bolt is tempered sorbite. The mismatching hardness of inspected bolt and nut is the root cause of the scuffing incident.

scuffed； hardness； tempered martensite； tempered sorbite

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）01-0075-04

TM623

A

1674-1617（2015）01-0075-04

2014-12-03

胡明磊（1982—），男，河南民權(quán)人，工程師，碩士學(xué)位，從事核電廠老化防腐方面的研究及工作。