火電機(jī)組螺栓金屬監(jiān)督工作淺析

丁書(shū)海

山西魯能河曲發(fā)電有限公司 山西 河曲 036500

引言

螺栓是火電機(jī)組中廣泛使用的重要緊固件,應(yīng)用于鍋爐、汽輪機(jī)設(shè)備及承壓管道法蘭、閥門(mén)等處,對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著非常重要的作用。近年來(lái),由于螺栓損壞問(wèn)題,造成設(shè)備損壞或機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)事件時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)也暴露出螺栓金屬監(jiān)督方面存在一些不足。

一、螺栓損壞原因分析

近年來(lái),我國(guó)火電機(jī)組發(fā)展迅速,600MW及以上火電機(jī)組不斷投產(chǎn),火電機(jī)組數(shù)量不斷增加,同時(shí)200MW及以下機(jī)組運(yùn)行部分機(jī)組已接近服役期,設(shè)備存在老化問(wèn)題。螺栓作為火電機(jī)組中重要的緊固件,在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中處于一直做功狀態(tài),承載加大的作用力,容易發(fā)生疲勞斷裂。由于螺栓損傷造成設(shè)備損壞事件或機(jī)組非停事件近年來(lái)屢有發(fā)生。

2018年3月,某電廠600MW汽輪機(jī)高調(diào)門(mén)油動(dòng)機(jī)上伺服閥四根固定螺栓斷裂造成抗燃油泄漏,抗燃油系統(tǒng)油壓低保護(hù)動(dòng)作造成機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)。伺服閥斷裂的螺栓材質(zhì)為35Cr Mo,等級(jí)為8.8級(jí),規(guī)格為M9.3×50mm。事件發(fā)生后,由專(zhuān)業(yè)金屬監(jiān)督人員對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果顯示螺栓的主要化學(xué)成分和硬度等各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB/T3098.1－2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》的要求,螺栓螺紋牙底存在折疊缺陷,且該處為應(yīng)力集中區(qū)域,易形成裂紋源,同時(shí)帶有折疊缺陷的螺栓因?yàn)椴牧洗嘈暂^大,難以抵抗裂紋擴(kuò)展,發(fā)生快速的脆性斷裂。

根據(jù)螺栓損壞事件,對(duì)螺栓損壞原因進(jìn)行了分析總結(jié),從材質(zhì)方面考慮,螺栓損傷形式主要蠕變和疲勞兩種形式,發(fā)生斷裂主要形式為蠕變脆性斷裂和疲勞斷裂；從作用力方面考慮,螺栓使用過(guò)程中主要受到軸向拉伸應(yīng)力及偏心時(shí)受到的附加彎曲應(yīng)力。造成螺栓損壞可能存在以下主要原因：

1、螺栓材料達(dá)不到要求。選用等級(jí)偏低,強(qiáng)度不能滿足要求,同時(shí)鋼材質(zhì)量不良,內(nèi)部存在非金屬夾渣物,易發(fā)生螺栓脆性斷裂。部分螺栓生產(chǎn)廠家為降低生產(chǎn)成本,選用的螺栓鋼材質(zhì)量不良,未進(jìn)行有效檢測(cè),造成生產(chǎn)出來(lái)的螺栓存在缺陷；在選用螺栓時(shí),為節(jié)約成本,選用的螺栓與實(shí)際工作溫度、壓力接近,未提高等級(jí)選用。

2、螺栓的加工質(zhì)量不良。在加工時(shí)造成螺栓塑性降低、螺栓、螺母配合不到位等缺陷。如在加工過(guò)程中,加工精度控制達(dá)不到要求,不能有效控制,造成螺栓螺桿、螺母配合間隙偏大,影響螺栓強(qiáng)度,同時(shí)部分合金螺栓需要進(jìn)行熱處理,而生產(chǎn)廠家未嚴(yán)格按照熱處理要求進(jìn)行處理,造成螺栓在投運(yùn)后發(fā)生損壞問(wèn)題。

3、螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。螺栓根部圓角半徑太小,在局部區(qū)域造成嚴(yán)重應(yīng)力集中,都會(huì)促使螺栓過(guò)早的損壞[1]。一般為了減少應(yīng)力集中情況的發(fā)生,螺紋牙底應(yīng)加工呈圓弧狀,圓弧半徑不應(yīng)小于0.1螺距,同時(shí)螺紋和螺桿之間的退刀槽也應(yīng)該圓弧過(guò)渡,圓弧半徑約為0.3倍的螺栓直徑。

4、未嚴(yán)格執(zhí)行安裝、檢修工藝。緊固螺栓時(shí)力矩過(guò)大,預(yù)緊力過(guò)大增加了拉應(yīng)力、扭應(yīng)力和彎應(yīng)力,易造成螺栓斷裂,同時(shí)由于人為不注意也會(huì)造成螺栓損傷；在螺栓安裝時(shí),螺桿與法蘭平面不垂直、螺母支撐面與法蘭不平行等均會(huì)造成螺栓受到偏心負(fù)荷影響,產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力；在檢修回裝時(shí)不能將螺栓表面氧化膜、雜物及時(shí)清理,使螺栓表面產(chǎn)生毛刺造成螺紋損傷,安裝時(shí)未在螺栓上涂抹抗咬合劑等。同時(shí)在螺栓安裝時(shí),同一位置處螺栓選用不同材質(zhì)和強(qiáng)度的等級(jí)的螺栓,在使用過(guò)程中也易發(fā)生螺栓損壞。

5、螺栓在惡劣的運(yùn)行環(huán)境下工作易發(fā)生損壞。一是在運(yùn)行過(guò)程中,設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)造成螺栓處于高頻振動(dòng)狀態(tài),二是部分螺栓長(zhǎng)期處于高溫、高壓環(huán)境下,且部分設(shè)備頻繁啟動(dòng),使螺栓在變工況下運(yùn)行,螺栓受到熱疲勞應(yīng)力而產(chǎn)生疲勞裂紋。

通過(guò)以上原因可以看出,對(duì)螺栓開(kāi)展有效的金屬監(jiān)督工作非要必要。

二、螺栓金屬監(jiān)督常用方法

對(duì)螺栓進(jìn)行有效的金屬監(jiān)督是目前各火力發(fā)電廠一直開(kāi)展的工作,在維護(hù)過(guò)程中主要采用宏觀檢查、硬度測(cè)量、著色檢驗(yàn)等方式,在出現(xiàn)螺栓斷裂問(wèn)題或機(jī)組檢修期間,對(duì)螺栓檢查重點(diǎn)采用超聲波檢驗(yàn)、著色檢驗(yàn)、硬度測(cè)量及金相檢驗(yàn)。

1、宏觀檢查。檢修人員肉眼對(duì)螺栓進(jìn)行檢查,檢查螺栓螺紋有無(wú)損傷、螺桿是否存在裂紋及螺桿與螺紋配合是否正常等。該種檢查方式簡(jiǎn)便易行,技術(shù)含量比較低,易發(fā)現(xiàn)表面存在的問(wèn)題,但需要檢查人員有一定的責(zé)任心。

2、超聲波探傷或著色無(wú)損檢驗(yàn)。超聲波檢測(cè)靈敏度高、速度快、對(duì)宏觀裂紋缺陷檢出率高,對(duì)人體無(wú)損傷；缺點(diǎn)是要求工作表面平滑、富有經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)人員才能辨別缺陷種類(lèi)、對(duì)缺陷沒(méi)有直觀性；超聲波探傷適合于厚度較大的零件檢驗(yàn)[2]。著色檢驗(yàn)是滲透探傷的一種,是將溶有彩色染料的滲透劑滲入工件表面,使缺陷內(nèi)的彩色油液滲至表面,根據(jù)彩色斑點(diǎn)或條紋發(fā)現(xiàn)和判斷缺陷。其優(yōu)點(diǎn)是操作方便快捷,顯示直觀,檢測(cè)成本低,適用于任何材質(zhì)；缺點(diǎn)是只能檢測(cè)表面開(kāi)口的缺陷,對(duì)表面光潔度有要求,不適于檢查多孔性疏松材料制成的工件和表面粗糙的工件,靈敏度低,且不能探測(cè)缺陷深度。

3、金相檢驗(yàn)。主要是運(yùn)用二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測(cè)量和計(jì)算來(lái)確定合金組織的三維空間形貌,從而建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系。在火力發(fā)電廠螺栓檢測(cè)中,主要用來(lái)檢驗(yàn)合金螺栓材質(zhì)組織是否粗大或有無(wú)網(wǎng)狀晶界。由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制,金相只能檢驗(yàn)螺栓的光桿部分或端部,無(wú)法檢驗(yàn)螺紋根部,因此該項(xiàng)檢驗(yàn)只能作為評(píng)定材質(zhì)性能的一個(gè)參考指標(biāo),不能檢測(cè)螺栓蠕變損傷。通常火力發(fā)電廠中一般將金相組織檢測(cè)委托電科院或?qū)I(yè)檢測(cè)部門(mén)進(jìn)行。

4、硬度檢測(cè)。硬度是材料抵抗更硬物壓入其表面的能力,是材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo),能夠比較客觀地反映材料力學(xué)性能。硬度較低代表其強(qiáng)度較低,硬度較高代表著其韌性可能較差。螺栓硬度檢測(cè)快速、經(jīng)濟(jì),是力學(xué)性能試驗(yàn)的常用方法,但使用不同測(cè)量設(shè)備時(shí)會(huì)造成其測(cè)量值不同,影響其準(zhǔn)確性,同時(shí)硬度值只能用于間接評(píng)價(jià)材質(zhì)性能,而不能用于評(píng)定螺栓蠕變損傷的程度。

5、螺栓蠕變伸長(zhǎng)量測(cè)量。DL/T439－2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》“技術(shù)檔案管理”規(guī)定,新螺栓在使用前應(yīng)進(jìn)行螺栓蠕變初始長(zhǎng)度監(jiān)督,運(yùn)行過(guò)程中技術(shù)檔案應(yīng)包括蠕變測(cè)量數(shù)據(jù),高溫螺栓蠕變伸長(zhǎng)量測(cè)量對(duì)判定蠕變損傷十分有效。

三、螺栓金屬監(jiān)督存在問(wèn)題及改進(jìn)措施

在火電機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中,雖然開(kāi)展了螺栓金屬監(jiān)督工作,但仍存在以下不足：

1、對(duì)新采購(gòu)的螺栓檢查不到位。新螺栓到廠后,只對(duì)高溫高壓螺栓進(jìn)行檢查,其他螺栓不進(jìn)行檢查或抽查率比較低,缺少螺栓質(zhì)量證明書(shū)或檢驗(yàn)單,無(wú)光譜、無(wú)損檢驗(yàn)、硬度試驗(yàn)等驗(yàn)收資料；同時(shí)在螺栓保管時(shí)未做好記錄。

2、螺栓金屬監(jiān)督臺(tái)賬不健全。在設(shè)備檢修過(guò)程中,部分電廠只注重主要設(shè)備、零部件的臺(tái)賬記錄,對(duì)螺栓未建立臺(tái)賬或有臺(tái)賬但記錄不齊全,更換、檢測(cè)臺(tái)賬不能及時(shí)進(jìn)行記錄,有的電廠對(duì)螺栓金屬監(jiān)督工作不重視,無(wú)臺(tái)賬記錄。

3、螺栓金屬監(jiān)督工作不能?chē)?yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。DL/T439－2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》第4.1.1條規(guī)定“到貨驗(yàn)收時(shí)應(yīng)依據(jù)GB/T 90.1、GB/T 90.2的要求檢查包裝質(zhì)量,根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定檢查產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)、數(shù)量和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)單(包括化學(xué)成分、低倍和高倍組織、力學(xué)性能)”1。有些螺栓制造廠無(wú)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)單或產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)單不符合要求,未進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn),而電廠在驗(yàn)收過(guò)程中存在把關(guān)不嚴(yán)問(wèn)題,未對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行檢查。同時(shí)在設(shè)備投運(yùn)后,第4.2.3條規(guī)定“A級(jí)檢修時(shí),對(duì)M32級(jí)以上的高溫螺栓,應(yīng)根據(jù)螺栓的規(guī)格和材料,至少抽取10%數(shù)量螺栓進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)”[4]。在實(shí)際檢修工作中,部分電廠由于缺少專(zhuān)業(yè)檢測(cè)人員和設(shè)備,不能?chē)?yán)格按照10%的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抽樣檢查。

4、螺栓金屬監(jiān)督缺少技術(shù)人員和設(shè)備。部分電廠對(duì)金屬監(jiān)督工作重視程度不足,專(zhuān)業(yè)金屬監(jiān)督人員數(shù)量不足,且部分人員未進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的培訓(xùn),技術(shù)水平不能滿足檢查要求；同時(shí)對(duì)金屬監(jiān)督所用的設(shè)備配備不齊全,部分檢測(cè)項(xiàng)目無(wú)法完成。

針對(duì)螺栓金屬監(jiān)督存在的以上問(wèn)題,提出以下建議：

1、加強(qiáng)對(duì)新螺栓的檢查驗(yàn)收。各火力發(fā)電廠把好螺栓入廠關(guān),制定螺栓到貨驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),明確檢查內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn),在新螺栓到貨后,嚴(yán)格按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收,提高螺栓入廠合格率。

2、加強(qiáng)對(duì)螺栓金屬監(jiān)督的重視程度

(1)建立、完善螺栓金屬監(jiān)督臺(tái)賬。對(duì)金屬監(jiān)督臺(tái)賬進(jìn)行全面梳理,未建立螺栓金屬監(jiān)督臺(tái)賬的及時(shí)建立臺(tái)賬,已建立臺(tái)賬的進(jìn)行完善,特別是對(duì)高溫高壓螺栓和重要設(shè)備處使用的螺栓,確定螺栓材質(zhì)、強(qiáng)度等級(jí)、使用年限、檢驗(yàn)情況等,確保臺(tái)賬能有效指導(dǎo)檢修工作。

(2)嚴(yán)格執(zhí)行螺栓檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在檢修過(guò)程中,嚴(yán)格按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺栓進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè),同時(shí)對(duì)頻繁拆卸的螺栓,適當(dāng)縮短檢測(cè)周期；在螺栓檢測(cè)過(guò)程中,嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),確保結(jié)果準(zhǔn)確；對(duì)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,及時(shí)進(jìn)行處理,不能置之不理。

(3)提高非高溫高壓螺栓的重視程度。各電廠提高非高溫高壓螺栓的重視程度,重點(diǎn)做好重要設(shè)備緊固螺栓的檢查,如伺服閥螺栓,在螺栓選用及使用時(shí),一是根據(jù)設(shè)備運(yùn)行工況,選用高強(qiáng)度、韌性及抗疲勞性能較好的螺栓,最好選用高于使用條件一個(gè)等級(jí)的螺栓,二是對(duì)重要設(shè)備的螺栓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)梳理,DL/T439－2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中,只是對(duì)工作溫度在400℃以上螺栓的檢驗(yàn)和處理做出了規(guī)定,對(duì)使用溫度低但非常重要的螺栓未做要求,建議各火力發(fā)電廠將重要設(shè)備螺栓檢測(cè)納入金屬檢測(cè)內(nèi)容并定期檢測(cè)；三是在螺栓使用過(guò)程中嚴(yán)格按檢修工藝執(zhí)行,特別是嚴(yán)格控制好螺栓緊固力矩,防止損壞螺栓。

(4)做好金屬監(jiān)督人員的管理。為有效開(kāi)展螺栓金屬監(jiān)督工作,建議各火力發(fā)電廠設(shè)立金屬監(jiān)督專(zhuān)責(zé)人,人員數(shù)量滿足現(xiàn)場(chǎng)要求,并加強(qiáng)對(duì)人員的技術(shù)培訓(xùn),確保各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果真實(shí)、準(zhǔn)確；同時(shí)配備滿足檢驗(yàn)要求的設(shè)備,對(duì)設(shè)備定期檢測(cè),確保設(shè)備的可靠性。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著設(shè)備服役年限的增長(zhǎng)及設(shè)備使用條件的變化,螺栓損壞問(wèn)題逐漸突出,螺栓損壞后會(huì)造成緊固件密封失效,影響設(shè)備安全運(yùn)行,如發(fā)生在設(shè)備內(nèi)部,還會(huì)造成設(shè)備損壞,因此開(kāi)展螺栓金屬監(jiān)督工作、對(duì)螺栓損壞原因進(jìn)行分析研究非常必要,提前檢測(cè)螺栓存在的問(wèn)題,提前預(yù)防、處理,可以消除存在的隱患,有效保障設(shè)備、機(jī)組的安全運(yùn)行。本文重點(diǎn)介紹了螺栓損壞原因、螺栓檢測(cè)常用方法及存在的問(wèn)題,并提出了改進(jìn)措施。上述總結(jié)還存在不足,需要在以后的工作中加強(qiáng)對(duì)螺栓金屬監(jiān)督工作的研究,不斷提高設(shè)備的可靠性,減少事故發(fā)生率。