核級緊固件質(zhì)量管理分析

焦少陽　鄭越　高揚(yáng)　路曉暉

【摘 要】本文首先介紹了核電站用核級緊固件的制造工藝流程，其次根據(jù)全面質(zhì)量管理理論，從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)角度分析討論了緊固件制造過程中的質(zhì)量管理問題；然后分析了緊固件在執(zhí)行RCC-M標(biāo)準(zhǔn)常見的技術(shù)問題，如熱處理、硬度檢測和表面防腐；最后給出了緊固件的質(zhì)量監(jiān)督方法及增加入廠/場復(fù)驗(yàn)的必要性要求，以保證緊固件在采購和制造等階段的質(zhì)量可控。

【關(guān)鍵詞】緊固件；質(zhì)量管控；RCC-M

0 引言

緊固件在核電廠安全系統(tǒng)和設(shè)備中大量使用，承擔(dān)了部件連接、承壓密封和支承固定等功能，其質(zhì)量與性能對于核電廠安全系統(tǒng)和設(shè)備執(zhí)行核安全功能有著重要作用。但是緊固件制造門檻較低、采購制造加工環(huán)節(jié)繁雜、生產(chǎn)企業(yè)眾多，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量管理不易控制，部分緊固件生產(chǎn)企業(yè)為了獲得市場而采取各種方法降低成本，如采用劣質(zhì)鋼材作為原材料、通過虛假試驗(yàn)報(bào)告以減少試驗(yàn)數(shù)量、利用清潔要求不達(dá)標(biāo)的庫房進(jìn)行倉儲等，使得這類緊固件的質(zhì)量不可控，且無法滿足核電站的技術(shù)要求及質(zhì)保要求。

本文首先介紹了核級緊固件（如螺栓、螺柱、螺桿、螺釘、螺母等）制造工藝流程以及相關(guān)檢測檢驗(yàn)要求；然后從質(zhì)量管理及日常監(jiān)督檢查角度，指出了緊固件在生產(chǎn)制造中存在的問題并給出相應(yīng)建議；其次分析了緊固件制造廠在執(zhí)行RCC-M體系[1]材料采購技術(shù)條件中，容易出現(xiàn)的技術(shù)問題以及注意事項(xiàng)；最后針對緊固件完工報(bào)告中的數(shù)據(jù)不完整或存在虛假數(shù)據(jù)等問題，提出了建立有效質(zhì)量保證體系以及增加入廠/場復(fù)驗(yàn)的必要性要求。

1 緊固件制造工藝流程

緊固件的主要制造工藝流程包括：原材料采購→復(fù)驗(yàn)→下料→熱鍛（螺栓和螺母）→熱處理（如有）→性能試驗(yàn)（如有）→機(jī)加工→滾絲成形→表面處理→表面檢查→無損檢測→尺寸檢查→包裝運(yùn)輸。

緊固件制造廠采購的原材料鋼棒根據(jù)最終緊固件類型，熱處理狀態(tài)會有所不同。一般在制造緊固件過程中不需要進(jìn)行熱加工時(shí)，如螺柱、螺桿等，采用經(jīng)性能熱處理（滿足成品力學(xué)性能）的棒材制造；如果緊固件在制造過程中需要進(jìn)行熱加工，如熱鐓的六角頭螺栓和螺母，則采購熱軋態(tài)的棒材。原材料鋼棒在入廠后需進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)合格后下料分割成長度若干的短棒以制造不同種類的緊固件。

核級緊固件的力學(xué)性能檢測，通常包括硬度、室溫拉伸、高溫拉伸和沖擊試驗(yàn)。硬度試驗(yàn)要求在每個(gè)成品緊固件上進(jìn)行，且每批緊固件的硬度偏差不超過30HBW；室溫拉伸要求每批至少進(jìn)行2次試驗(yàn)；高溫拉伸試驗(yàn)一般只有當(dāng)部件設(shè)計(jì)溫度超過250℃時(shí)才需要進(jìn)行，1級設(shè)備用緊固件需要該項(xiàng)試驗(yàn)；對于螺栓類緊固件，當(dāng)螺紋公稱直徑大于等于15mm時(shí)，要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，其中奧氏體不銹鋼緊固件的沖擊試驗(yàn)溫度為室溫，其他緊固件（如碳鋼、合金鋼、馬氏體不銹鋼等）的沖擊試驗(yàn)溫度為0℃。

緊固件成形主要包括熱加工、機(jī)加工和攻絲。熱加工包括熱鐓六角頭或螺母坯料，機(jī)加工主要為將鋼棒機(jī)加工至要求尺寸。螺紋加工方法有很多，可以車削、銑削、磨削和滾壓，通常采用滾壓成形。滾壓螺紋是一種無屑加工工藝，滾壓時(shí)工件材料表面纖維不但未被切斷，反而得到進(jìn)一步強(qiáng)化，由于滾壓時(shí)表面加工硬化并形成壓應(yīng)力，還可提高疲勞強(qiáng)度；對相同螺紋直徑的螺栓，采用滾壓螺紋的坯料直徑較機(jī)加工螺紋的坯料直徑小，從而可以節(jié)省一定量的材料。

緊固件的表面處理方法應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境和使用條件進(jìn)行選擇。對于普通室內(nèi)環(huán)境、無腐蝕介質(zhì)的情況下，一般采用磷化后表面整體涂漆或局部涂油進(jìn)行保護(hù)；對于潮濕環(huán)境，通常采用鍍鋅處理；對于高溫管道或設(shè)備用緊固件，由于存在脆化，含鍍層緊固件應(yīng)在不高于鍍層熔點(diǎn)一半的溫度下使用，如鍍鋅緊固件應(yīng)在不高于210℃時(shí)使用。不銹鋼緊固件，一般不要求進(jìn)行表面防腐處理。

核級緊固件的無損檢測檢測包括表面無損檢測（如液體滲透檢測和磁粉檢測）和體積無損檢測（如超聲檢測）。一般螺紋公稱直徑超過25mm時(shí)，需要進(jìn)行表面無損檢測，通常在螺紋加工（即攻絲）后進(jìn)行，且奧氏體不銹鋼緊固件采用液體滲透檢測，其他類型緊固件采用磁粉檢測或液體滲透檢測。因形狀原因，緊固件的超聲檢測不在成品上進(jìn)行，而在原材料棒材上進(jìn)行，通常當(dāng)緊固件用原材料鋼棒尺寸超過50mm時(shí)需要進(jìn)行超聲檢測。

2 緊固件生產(chǎn)制造中的管理問題

根據(jù)全面質(zhì)量管理理論，影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素主要包括人員、機(jī)器（如設(shè)備、測量工具等）、原材料、執(zhí)行法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境。下面根據(jù)緊固件的生產(chǎn)制造特點(diǎn)以及產(chǎn)品驗(yàn)收情況，從質(zhì)量管理角度分析影響緊固件質(zhì)量的主要因素。

2.1 人員因素

緊固件制造門檻低，以致部分緊固件制造單位的生產(chǎn)人員未經(jīng)專業(yè)有效培訓(xùn)即實(shí)施生產(chǎn)；另外，對緊固件用原材料鋼棒的超聲檢測，在攻絲完成后需要進(jìn)行表面無損檢測（如液體滲透、磁粉檢測），對這些無損檢測的人員應(yīng)取得HAF602人員資質(zhì)證書。因此為保證核級緊固件的生產(chǎn)質(zhì)量，應(yīng)選用具備相關(guān)技能和資質(zhì)的人員。

2.2 機(jī)器設(shè)備因素

緊固件制造設(shè)備包括打頭機(jī)、螺母冷熱鐓成型機(jī)、滾絲機(jī)、攻牙機(jī)、熱處理設(shè)備、各種機(jī)加工車床等；性能檢測設(shè)備包括硬度試驗(yàn)計(jì)、萬能力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)（可進(jìn)行拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等試驗(yàn)）、沖擊試驗(yàn)機(jī)等；尺寸檢測設(shè)備包括尺寸檢查用卡尺、通止規(guī)等；無損檢測主要設(shè)備包括磁粉探傷儀、液體滲透探傷材料、超聲檢測設(shè)備等。不管是制造設(shè)備，還是測量測量設(shè)備均應(yīng)按照相應(yīng)操作規(guī)范進(jìn)行，并定期校對驗(yàn)證，以防止設(shè)備老化失效不可用。

2.3 原材料控制

原材料控制包括原材料采購、到貨檢驗(yàn)和庫存管理等3個(gè)方面的內(nèi)容。緊固件制造廠應(yīng)選擇質(zhì)量合格的供應(yīng)商采購棒材，并在原材料入廠時(shí)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，在進(jìn)行有效標(biāo)識后，方可進(jìn)行生產(chǎn)制造。

2.4 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

緊固件各個(gè)制造環(huán)節(jié)，包括原材料采購、制造、檢測、包裝、運(yùn)輸?shù)染鶓?yīng)按相應(yīng)的技術(shù)要求執(zhí)行，重要執(zhí)行文件還需要采購方批準(zhǔn)。除此之外，還需要做好記錄工作，如填寫原材料信息卡（如牌號、規(guī)范等級、爐批號、熱處理狀態(tài)等）、工藝卡流轉(zhuǎn)卡、試驗(yàn)狀態(tài)及結(jié)果等，以防止相關(guān)標(biāo)識文件或工藝流程文件在流轉(zhuǎn)中未被有效執(zhí)行，并造成材料混用、質(zhì)量失控的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 環(huán)境因素

緊固件在庫存管理時(shí)，要做好標(biāo)識，并進(jìn)行分類存放，防止和其他民用產(chǎn)品混放而導(dǎo)致發(fā)生碳鋼和不銹鋼混放造成的污染事件；另外倉儲環(huán)境要保證干燥以防止緊固件在表面處理前發(fā)生腐蝕，尤其是濱海敞開式的儲存廠房；緊固件制造企業(yè)還應(yīng)建立獨(dú)立的表面防腐車間，或在產(chǎn)品成形后外委其他單位進(jìn)行表面防腐處理，當(dāng)表面防腐不到位，尤其是鍍層厚度不足時(shí)，將容易導(dǎo)致緊固件產(chǎn)生腐蝕失效。

3 緊固件生產(chǎn)制造中的技術(shù)問題

根據(jù)緊固件的生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)及核電站中的使用經(jīng)驗(yàn)反饋，緊固件制造廠在執(zhí)行RCC-M標(biāo)準(zhǔn)或根據(jù)RCC-M標(biāo)準(zhǔn)編制的相關(guān)工程技術(shù)文件中存在各種技術(shù)問題，主要包括原材料鋼棒熱處理、硬度檢測和表面防腐處理等。

3.1 原材料鋼棒的熱處理

緊固件的力學(xué)性能是通過性能熱處理來實(shí)現(xiàn)的，該性能熱處理可在鋼棒采購階段進(jìn)行，也可在緊固件制造廠進(jìn)行，往往由制造工藝決定。當(dāng)緊固件在制造中需要熱加工（如熱鐓螺栓六角頭，熱鐓螺母坯料等）時(shí)，一般采購熱軋態(tài)鋼棒；當(dāng)制造中僅需要進(jìn)行機(jī)加工（如雙頭螺柱、螺桿等）時(shí)，一般采購經(jīng)性能熱處理態(tài)鋼棒。

鋼棒通常按照GB標(biāo)準(zhǔn)采購，而核級緊固件的化學(xué)成分、力學(xué)性能等需要滿足RCC-M規(guī)范中的要求。為了消除實(shí)際采購和標(biāo)準(zhǔn)要求之間的差異，一般在原材料鋼棒入廠時(shí)除進(jìn)行化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)外，還應(yīng)根據(jù)不同情況進(jìn)行力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)。

3.2 硬度檢測

根據(jù)RCC-M規(guī)范要求，核級緊固件應(yīng)逐個(gè)進(jìn)行硬度檢測，通常要求進(jìn)行布氏硬度（HBW）檢測，但部分硬度較高的材料也允許利用洛氏硬度（HRC）進(jìn)行代替。目前核級緊固件在制造檢測過程中，常用硬度檢測方法包括：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和里氏硬度[2-3]。目前，在緊固件的原材料采購、制造、驗(yàn)收等過程一般都存在硬度檢測方法的代換申請（如用洛氏或里氏硬度代替布氏硬度），則了解不同硬度檢測方法的特點(diǎn)及之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系將極為必要。

不同硬度之間存在換算關(guān)系，對于維氏、布氏、洛氏硬度之間的轉(zhuǎn)換，可以參考GB/T 1172《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算表》進(jìn)行換算；對于里氏硬度和其他硬度的換算，參考GB/T 17394.4《里氏硬度試驗(yàn) 第4部分：硬度值換算》進(jìn)行換算具有較大不確定度，通常需要利用硬度對比曲線進(jìn)行換算。

從檢測結(jié)果精度分析，維氏>布氏>洛氏>里氏；從簡便程度及試樣制備上分析，里氏硬度最方便，采用臺式硬度計(jì)進(jìn)行檢測維氏、布氏和洛氏硬度檢測較為繁復(fù)。所以對硬度檢測，通常在原材料鋼棒或隨爐料鋼棒上進(jìn)行測試布氏硬度或洛氏硬度；如果批量生產(chǎn)的成品緊固件，由于數(shù)量較多，難以逐個(gè)在臺式硬度計(jì)上進(jìn)行硬度試驗(yàn)，一般采用便攜式里氏硬度計(jì)進(jìn)行檢測，然后轉(zhuǎn)化為布氏硬度或洛氏硬度；對于現(xiàn)場某些不能移動的設(shè)備部件，如地腳螺栓的在線硬度檢測，也需要采用里氏硬度轉(zhuǎn)化為布氏硬度或洛氏硬度方法進(jìn)行檢測。

3.3 表面防腐

碳鋼和合金鋼緊固件在使用前需要進(jìn)行表面處理，目前常用的表面處理方法包括磷化和鍍鋅。磷化屬于臨時(shí)防腐，緊固件在磷化交貨后，還需要在設(shè)備現(xiàn)場安裝后同設(shè)備本體進(jìn)行整體涂漆或局部涂油進(jìn)行長期保護(hù)；鍍鋅可以提供長時(shí)間的防腐保護(hù)，但是相對于磷化工藝要求較復(fù)雜，另外在電鍍時(shí)由于陰極反應(yīng)容易引入氫，增加緊固件發(fā)生氫脆的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)核電站現(xiàn)場緊固件使用過程的經(jīng)驗(yàn)反饋，高強(qiáng)度螺栓（抗拉強(qiáng)度超過1000MPa）容易發(fā)生氫致應(yīng)力腐蝕開裂。氫致應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)制是，緊固件在加載預(yù)緊力后，材料中原有的氫通過應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散富集在缺陷處，促進(jìn)缺陷擴(kuò)展；同時(shí)在局部腐蝕環(huán)境下，陰極電化學(xué)反應(yīng)也會產(chǎn)氫并加劇氫的積聚；當(dāng)缺陷處氫積聚到一定程度后，在外力作用下，氫致應(yīng)力腐蝕裂紋形成、發(fā)展并最終導(dǎo)致緊固件斷裂[4]。

緊固件中的氫來源主要包括兩種，一種來自表面處理，一種來自長期服役中的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)；為了減少緊固件在使用過程中的氫致應(yīng)力腐蝕敏感性，必須對高強(qiáng)度螺栓緊固件的表面處理過程進(jìn)行有效控制。

4 緊固件的質(zhì)量監(jiān)督及控制

對于緊固件完工報(bào)告中相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果缺失或不完整，應(yīng)監(jiān)督緊固件制造廠按照HAF 003《核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定》建立質(zhì)量保證體系，并保證該質(zhì)量保證體系有效運(yùn)轉(zhuǎn)是解決該類問題的主要方法。

另外，對采購緊固件增加入廠/場復(fù)驗(yàn)，不僅可有效保證緊固件能夠滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而且也可在一定程度上避免緊固件制造廠完工報(bào)告資料不完整或存在虛假數(shù)據(jù)等現(xiàn)象，同時(shí)也在一定程度上保證了緊固件的質(zhì)量可靠。

5 結(jié)論

本文首先介紹了緊固件制造工藝流程，并在此基礎(chǔ)上分析討論了緊固件生產(chǎn)制造中的管理和技術(shù)問題，并給出了對應(yīng)解決方案；針對完工報(bào)告中性能數(shù)據(jù)不完整等問題，給出了加強(qiáng)質(zhì)量保證體系的解決方法，另外對緊固件實(shí)施入廠/場復(fù)驗(yàn)，也在可一定程度上保證其質(zhì)量可靠性。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]王智春，蔡文河，吳勇，等.便攜式里氏硬度計(jì)檢測緊固件硬度偏差原因分析[J]. 華北電力技術(shù)，2009，1：27-29.

[4]張先鳴.高強(qiáng)度緊固件氫脆的產(chǎn)生及預(yù)防措施[J].研發(fā)與應(yīng)用，2004，5：81-83.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]