核電廠低壓進汽導管法蘭螺栓斷裂原因分析

方 江,趙永明,劉洪群

(1.中核核電運行管理有限公司,嘉興 314300； 2.蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 215004)

螺栓連接是工程中應用最廣泛的一種可拆連接，特別是高強螺栓連接，由于其體積小、連接剛度大、連接質量易于保證而廣泛應用于核電站鋼結構、管道等構筑物。緊固螺栓在工作時主要承受拉應力和剪切應力，一旦出現螺栓松動、設備周期性振動等情況則受力更為復雜，其服役過程中除受到預緊拉應力外，還要承受因螺栓松動或設備振動而引起的扭轉和沖擊載荷[1-5]。這就為螺栓失效增加了更大的安全隱患，甚至影響電站的安全運行[6-9]。

某核電站低壓進汽導管法蘭連接螺栓在拆卸時發(fā)生斷裂，斷裂的螺栓位于汽輪機低壓進汽管道中部法蘭處。低壓進汽管道額定蒸汽溫度為265.2 ℃，額定蒸汽壓力為1.008 MPa。汽輪機上共有6根低壓進汽導管，一個法蘭上有40顆螺栓，總共240顆螺栓。該法蘭螺栓每次解體檢修都有約1/4的螺栓在拆卸時發(fā)生斷裂，斷裂位置多在螺母和法蘭交界的應力集中處。法蘭螺栓采用六角頭螺栓，規(guī)格是M30 mm×200 mm，材料是25Cr2MoVA鋼，螺母材料同為25Cr2MoVA鋼。筆者對斷裂螺栓進行了一系列理化檢驗和應力分析,以期此類事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

螺栓和螺母材料的化學成分均符合25Cr2MoVA鋼的企業(yè)要求，如表1所示。

1.2 硬度測試

螺栓和螺母的硬度如表2所示，可知螺母的硬度高于螺栓，且螺栓和螺母的硬度均不滿足相應材料強度對應的硬度要求。

表1 螺栓和螺母的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the bolt and the nut (mass fraction) %

表2 螺栓和螺母的硬度測試結果Tab.2 Hardness test results of the bolt and the nut HBW

1.3 金相檢驗

螺栓的顯微組織為經過調質處理的回火索氏體組織。非金屬夾雜評定結果為：A類夾雜1級和D類夾雜1級，非金屬夾雜在正常范圍內，如圖1所示。

圖1 螺栓的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of the bolt: a) microstructure; b) nonmetallic inclusions

1.4 斷口分析

螺栓斷口形貌如圖2所示，可見螺栓斷口表面平整，無腐蝕產物存在，具有明顯的裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和終斷區(qū)，裂紋起源于螺紋根部，呈旋轉狀向螺栓內部擴展，終斷于螺栓心部，呈現一定的扭轉塑性變形特征。裂紋源區(qū)為細小的韌窩形貌，纖維擴展區(qū)面積較大，為拉長的韌窩形貌，快速擴展區(qū)面積較小，為準解理形貌，終斷區(qū)為韌窩形貌。

圖2 螺栓斷口形貌Fig.2 Morphology of the bolt fracture:a) macro morphology of fracture; b) crack source area; c) crack growth area; d) final fracture area

1.5 斷裂螺栓受力分析

根據方棟等[10-14]的研究，當軸向拉伸載荷作用于螺栓的各扣螺紋時，其所承受的應力是不均勻的，距離法蘭支撐面最近的螺栓與螺母嚙合的第一扣螺紋承受的載荷最大，隨著距離支撐面越遠各扣螺紋受力依次減小。這意味著螺栓與螺母端面接觸位置第一扣螺紋根部的應力集中最為嚴重，實際螺栓斷口位置位于螺栓與螺母端面接觸位置第一扣螺紋根部,與該規(guī)律相符合。對剪切載荷作用下的螺栓繪制應力云圖，螺栓軸向和縱向剖面應力云圖如圖3所示?？梢娐菟ū砻娓浇膽ψ畲螅陕菟ū砻嬷列牟繎χ饾u減小。這與表面啟裂、終斷區(qū)位置偏于心部的螺栓斷口特征基本一致。

圖3 螺栓軸向和縱向剖面應力云圖Fig.3 Stress nephogram of bolt a) axial and b) longitudinal section

2 分析與討論

低壓進汽導管法蘭螺栓的斷口整體平整，呈現明顯的漩渦狀形貌，斷口微觀形貌呈現明顯韌窩特征，且遠離斷面中心的韌窩顯著拉長，為典型的扭轉切變韌性斷裂特征，裂紋源位于螺栓表面，終斷區(qū)在螺栓的中心附近。螺栓拆卸扭矩過大會導致螺栓發(fā)生扭轉韌性斷裂，而螺栓咬死會導致拆卸扭矩過大，可能導致螺栓咬死的因素有以下3點。

(1) 螺母硬度不符合標準要求。為防止螺栓咬死和減少磨損，選材時螺栓和螺母應采用不同鋼號。由于螺母的工作條件較螺栓好，要求螺母材料強度比螺栓低一級，硬度低20～50 HB。而分析結果對比發(fā)現，螺母硬度值反而遠比螺栓的硬度值高，這可能是導致螺栓咬死的主要原因。

(2) 緊固扭矩過大。由于螺栓和螺母的變形不同，螺栓的承載旋合螺紋上的載荷分布是很不均勻的。在彈性范圍內，靠近螺母支承面的第一圈螺紋的載荷最大，而其余旋合螺紋的分擔載荷依次減少。過大的緊固力矩會導致螺牙發(fā)生局部塑性變形，導致應力集中的螺紋損傷，螺紋咬死后拆卸扭矩過大可能導致螺栓斷裂。檢查發(fā)現安裝規(guī)程中對螺栓安裝的最終力矩要求過大。

(3) 沒有涂抹防咬劑。高溫螺栓安裝前對螺紋部分適當均勻地涂抹防咬潤滑劑是極為重要的，導汽管法蘭螺栓安裝前如果沒有進行防咬潤滑，或者防咬潤滑不當，可能導致螺栓在高溫環(huán)境下和螺母咬死。檢查安裝規(guī)程中沒有明確防咬劑涂抹流程。

3 結論及建議

螺栓螺母硬度不匹配使得該低壓進汽導管法蘭螺栓咬死，拆卸過程中在過大的扭轉剪切力作用下螺栓發(fā)生了韌性斷裂。

建議選用滿足企業(yè)標準要求的螺栓和匹配螺母；優(yōu)化螺栓拆裝規(guī)程，統一拆裝要求；在滿足工況要求的前提下，選用最低的預緊力，降低螺栓咬死風險；在安裝時應在螺栓工作區(qū)域均勻涂抹高溫防咬劑。