真空離子金屬涂層在核電廠緊固件咬死處理中的應用研究

李學躍

（中國能源建設集團東北電力第一工程有限公司，廣東深圳518120）

真空離子金屬涂層在核電廠緊固件咬死處理中的應用研究

李學躍

（中國能源建設集團東北電力第一工程有限公司，廣東深圳518120）

咬死是螺紋副失效最嚴重的表現形式之一。介紹了一種新的金屬涂層用于核電廠緊固件抗咬死失效的處理，包括金屬涂層抗咬死失效的機理、涂層鍍膜工藝和鍍膜性能等，并通過模擬試驗，驗證了在核電廠運行工況下該金屬涂層的螺紋副抗咬死能力，結果表明這種金屬涂層的抗咬死能力明顯優于常規松動劑、礦物油脂和抗咬死潤滑劑。

金屬涂層；緊固件；咬死；真空離子鍍膜

螺紋聯接是一種廣泛使用的可拆卸固定聯接，其具有結構簡單、聯接可靠、裝拆方便等優點，在核電廠各類設備中有著廣泛的應用。但是，在設備安裝和運行中，時常會發生一些螺紋副的卡澀、咬死現象[1-2]，通常情況下，一旦發生螺紋咬死現象，可以通過敲擊、加熱、小力矩反向旋擰、涂松動劑等方法來旋出螺栓，但如果旋擰力矩超過力矩保護值就需通過切割、鉆取螺栓的方式來盡可能保護設備上的螺紋孔不受到更大的損傷，以免直接影響到設備的使用壽命和電站的運行安全。

國外核電技術先進的國家，如美國，已經過多年的研發和工程應用經驗的積累，發現在螺栓安裝、拆卸過程中表面涂抹潤滑劑、鍍磷酸鹽膜等傳統措施對降低螺紋副防咬死的貢獻作用有限[3]，尤其在長周期、高溫、重載荷下的螺紋副，仍經常發現有咬死現象，針對此問題，結合螺紋副表面的配合特點和表面潤滑研發了螺紋表面金屬涂層技術，有效地降低了運行期間設備因潤滑劑涂抹不勻、易揮發、鍍膜脫落而導致的卡澀、咬死風險，在螺栓拆卸后也不再需要對螺紋上的潤滑劑進行清理，減少了操作人員所受的劑量，縮短了清理螺紋副占據關鍵路徑的時間，為核設備的在役維護和修復節省了寶貴時間。然而，我國核電設備的設計、制造起步較晚，目前解決螺紋副的卡死問題，還主要停留在材料硬度差控制、涂抹潤滑劑、鍍磷酸鹽膜[4]等傳統手段，還缺乏對高附著力螺紋表面金屬涂層技術的詳細研究。

本文將介紹核電廠緊固件螺紋表面的金屬涂層技術，闡明金屬涂層降低咬死風險的機理、涂層鍍膜工藝及涂層性能，并通過模擬試驗，來驗證金屬涂層緊固件在實際應用中降低螺紋副咬死風險的能力，提高緊固件使用的可靠性。

1螺紋咬死失效機理

螺紋咬死現象類似于摩擦冷熔接過程，是滑動面間摩擦和粘合綜合作用下一種磨損現象[5-6]。起初在承載螺紋副間會發生微觀尺寸的材料遷移，隨著滑動接觸區摩擦系數的增大，材料遷移逐漸加強，會在局部接觸面上形成微觀材料凸起，材料凸起的進一步生長會擠壓臨近區域的材料，在微小區域內產生高能摩擦熱，這將進一步引起材料的粘合和堆積，隨著更多的材料堆積凸起從接觸面上撕落，在局部高能摩擦熱的作用下，螺紋副在局部位置最終發生咬死[7-8]。如圖1所示。

圖1 螺紋副咬死機理示意圖

目前，設計上降低螺紋副咬死的措施主要有：增大螺紋副配合間隙；降低嚙合表面粗糙度；異種材料隔離（潤滑劑）；限制旋擰力矩和轉速；防腐等幾方面[6-10]。

本文所介紹的金屬涂層薄膜主要從異種材料隔離螺紋表面防止損傷的角度來降低螺紋副發生卡死的風險。

2真空離子金屬涂層技術

2.1 鍍膜原理

本文所述的金屬涂層采用的是強化真空離子鍍膜技術，是在真空條件下，將工件（螺栓）作為陰極，外殼作陽極。從蒸發源蒸發涂層金屬的分子通過等離子區時發生電離，金屬正離子被基板負電壓加速打到工件表面，而未電離的中性原子（蒸發物質）會隨著離子化的蒸氣分子帶著約0.01 eV到10 eV的動能撞擊表面，沉積在工件或真空室壁表面。其原理圖見圖2.

圖2 真空離子濺射金屬鍍膜原理圖

這種離子鍍技術綜合了蒸發（高沉積速率）與濺射（良好的膜層附著力）工藝的特點，可以得到非常薄的表面鍍層（亞微米級），具有速度快、附著力高的特點，同時并有很好的繞射性，可為形狀復雜的工件進行鍍膜。此外，由于整個操作均在常溫下進行，基底材料性能不會受到影響。

2.2 鍍膜工藝

（1）清潔要求

待涂鍍的零件表面需要用溶劑清潔并經玻璃沙噴拋處理。在對零件表面進行金屬涂鍍前還需最終清潔，以保證獲得一個絕對潔凈的表面。母材表面極高的清潔度對于獲得涂鍍層所需的聯結力十分必要。

（2）金屬鍍膜

螺紋表面的鍍膜工藝原理可參見上述2.1節。首先須在螺紋表面涂鍍基底金屬鎳（Ni），然后涂鍍銀-鈀合金（Ag-Pd）。基底金屬鎳的作用是增強與螺栓母材的結合力，表面涂層銀-鈀合金用于潤滑接觸面。

（3）質量檢查

在金屬涂層完成后采用高倍率放大鏡進行目視檢測，檢查零件表面金屬涂層是否平整光滑、均勻致密，局部無氣孔、毛刺，螺紋牙頂和牙底金屬涂層圓滑過渡，無缺陷等。目視檢查通過則金屬涂層質量合格。

2.3 涂層性能

真空離子鍍膜是以分子形式與材料基體相連，相比汽相淀積法，通常其沖擊能量更高，與工件基體可產生較強的結合力。

因涂層金屬材料均是軟金屬，具有較好的延展性，當螺紋副接觸表面發生高壓載荷時，附在基體材料表面的金屬涂層會發生局部塑性變形，建立防咬合屏蔽層，保護螺紋表面完好不受損傷。

在運行使用中，該金屬涂層能在運行溫度下保持強度，隔離開損傷基體材料的雜質，而在大部分環境中，涂層金屬是“陰極”，從而保護基體材料免受電化學腐蝕。

同時，與常規的潤滑劑相比，金屬涂層的在高溫、重載荷、長周期工況下的物理化學性能十分穩定。

3模擬試驗

3.1 試驗目的

模擬試驗主要分為兩部分：常規涂層緊固件抗咬死能力試驗和金屬涂層緊固件抗咬死能力試驗。

試驗的目的是驗證金屬涂層緊固件在核電廠使用工況下抗咬死失效風險的實際能力。

3.2 試驗參數

模擬試驗工況包括典型機械工況和環境工況。機械工況主要模擬螺栓旋擰（或拆卸）過程中持續加載（或卸載）的工況；環境工況主要模擬緊固件在接近核電站運行溫度的上限、在許用的預緊載荷下經歷一段時間后的狀態。

常規涂層和金屬涂層試驗的材質、規格、數量、試驗溫度、預緊載荷、試驗時長、循環次數等參數分別見表1和表2.

表1 常規涂層緊固件抗咬死模擬試驗參數

表2 金屬涂層緊固件抗咬死模擬試驗參數

在載荷循環期間，任何一組緊固件裝、拆過程中發生咬死率達到和超過5%時，模擬試驗終止。

3.3 試驗結果

常規涂層緊固件抗咬死模擬試驗共12個螺栓，分3組，在第一個載荷循環后3組螺栓的咬死率均已超過5%，詳細數據見表3.

表3 常規涂層緊固件抗咬死模擬試驗結果

從表3的試驗結果可以看出，目前核電廠常用的WD-40、礦物油脂、N5000潤滑劑在325℃、0.53σs預緊載荷下停留72 h后，其螺紋副的抗咬死能力表現一般。其中WD-40表現最不理想，2件螺栓均無法拆卸；N5000表現相對較好，咬死失效率仍為37.5%.

金屬涂層緊固件抗咬死模擬試驗共有32個螺栓，分為1組，螺紋表面的鎳+銀-鈀合金涂層總厚度小于1μm，試驗溫度325℃，初始預緊載荷為0.75σs，試驗共進行了8個載荷循環，前面7個循環的停留時長約在95 h，為了研究更長長時下金屬涂層的抗咬死能力，第8個循環的時間周期增加到2 040 h，總的螺栓試驗時長達到了2 700 h.在第8個載荷循環后，32個螺栓的咬死率超過5%，詳細數據見表4.

表4 金屬涂層緊固件抗咬死模擬試驗結果

從表4中可以看出，金屬涂層緊固件的抗咬死能力要遠好于常規涂層。僅是在第5個循環的拆卸階段時，有一個螺栓咬死；第7個循環的拆卸階段有另一個螺栓咬死；第8個循環共安裝了30個螺栓，在經歷2 040 h后，僅有2個螺栓咬死。

此外，從上述試驗可以看出，在高溫、大載荷下，螺紋緊固件經歷的裝、拆循環越多，在試驗環境中的曝露時間越長，因機械累積損傷而導致的螺栓咬死風險會逐漸增加。整個過程中，螺栓咬死在循環的前半期發生的概率很低，而在循環的后期，由于涂層損耗而導致的咬死風險會輕微增加，約為4%.

因此，在核電廠緊固件實際使用中，除了定期重新鍍膜金屬涂層外，還可以結合N5000潤滑劑一起使用，不僅可以提高螺紋副的裝、拆配合性能，還能降低金屬涂層的磨損速率，延長使用壽命。

4結束語

本文介紹的金屬涂層采用的是強化真空離子鍍膜技術，這種金屬涂層主要是從軟金屬材料建立隔離層保護螺紋表面免受損傷的角度來降低螺紋副發生卡死風險的。其主要特點有：

（1）金屬涂層是以分子形式與材料基體相連，只有亞微米級的厚度，因此對螺紋公差配合無影響，螺紋的表面粗糙度不變。而且，相比于汽相淀積法，其沖擊能量更高，與工件基體的附著力更大。

（2）因涂層金屬材料均是軟金屬，具有較好的延展性，當螺紋副接觸表面發生高壓載荷時，附在基體材料表面的金屬涂層會發生局部塑性變形，建立防咬合屏蔽層，保護螺紋表面完好不受損傷。

（3）與常規的潤滑劑相比，金屬涂層的在高溫、重載荷、長周期工況下的物理化學性能十分穩定。

此外，模擬試驗也表明，這種金屬涂層的抗咬死能力要遠好于常規涂層，考慮到涂層的磨損問題，建議在核電廠緊固件實際使用中，除了定期重新鍍膜外，還可以結合常規N5000潤滑劑一起使用，不僅可以提高螺紋副的裝、拆配合性能和還能有效延長金屬涂層的使用壽命。

[1]呂栓錄，袁鵬斌，張偉文，等.某井N80鋼級套管脫扣和粘扣原因分析[J].技術交流，2010（5）：57-61.

[2]李磊，劉文紅，宋生印.某井N80-Q油管粘扣及脫扣的分析[J].技術交流，2011（4）：44-48.

[3]Ertas A，Carper H，Cuvalci O，et a1．Experimental investiga tion of galling resistance in OCTG connection[J]．Journal of Engineering For Industry，1992，114（1）：100-104．

[4]熊慶人，王長安.不同磷化工藝對套管螺紋粘著性能的影響[J].石油礦場機械，2000（1）：29-31.

[5]張丹，李峰，李東風.P110長圓螺紋套管粘扣原因分析[J].管道技術與設備，2014（3）：18-19.

[6]李文頂，孔鳴杰，江文達.不銹鋼螺紋聯接副損傷及咬死現象分析與解決措施[J].研究與開發，2013（1）：97-99.

[7]呂栓錄，駱發前，趙盈，等.防硫油管粘扣原因分析及試驗研究[J].石油礦場機械，2009（8）：37-40.

[8]萬蕾，孫璐.楊耀東.接頭螺紋咬死失效原因分析[J].測試分析，2015（1）：77-81.

[9]楊富榮，薛自建，韓旭，等.某油田N80鋼級長圓螺紋套管螺紋黏結原因分析[J].技術交流，2015（3）：55-58.

[10]王少蘭，費敬銀，駱立立，等.石油鉆具螺紋防粘扣技術及應用[J].電鍍與精飾，2014（1）：18-22.

Application Research on the TreatmentofGalling Failure of Stud bymeans of Vacuum Ion MetalCoating in Nuclear Power Plant

LIXue-yue
（China Energy Construction Group Northeast Electric Power First Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000，China）

Galling is one of the most serious manifestations of stud thread failure.In this paper，a new metal coating is proposed for the treatment of galling failure of stud in nuclear power plants，including themechanism of anti-seizure failure of this metal coating，coating process and coating performance.Through several simulation tests，these results showed that the metal coating had better anti-seizure ability than the conventional loosening agent，mineral oil and anti-seize lubricant.

metal coating；stud；galling；vacuum ion plating

TG174.4

A

1672-545X（2016）12-0221-03

2016-09-03

李學躍（1960-），男，遼寧撫順人，大專，副總工師，高級工程師，從事核電機械設備安裝、調試、在役維護及其管理等工作。