核電廠埋置式地腳螺栓材料性能檢測

劉聰　魯萬乾

【摘 要】本文簡要介紹了核電廠1、2、3級設備用緊固件技術條件中關于緊固件材料性能復驗相關技術要求，并結合國內核電廠已有緊固件在線檢測實踐經驗，總結了埋置式地腳螺栓安裝后性能檢測方案。

【關鍵詞】地腳螺栓；性能檢測；試樣重組

0 概述

由于埋置式地腳螺栓經過一次澆灌或二次澆灌預埋在混凝土基礎里，其難以更換且一般無備件，在其性能質量無法證明時，其檢測工作難度大，目前尚無相關標準規范可用于指導安裝后地腳螺栓材料性能檢測。結合國內核電廠已有緊固件在線檢測實踐經驗，對核電廠埋置式地腳螺栓安裝后性能檢測方案進行分析及總結。

1 技術條件要求

目前，國內核行業未編制規范、指導出廠或入場復驗活動的緊固件復驗技術條件，國內核電廠設備埋置式地腳螺栓安裝后性能檢測主要依據用于規范核級緊固件采的1、2、3級設備用緊固件技術條件（Q/CNPE.J104.22-2009）。

根據《Q/CNPE.J104.22-2009 1、2、3級設備用緊固件技術條件》規定，在緊固件進行過熱處理且在緊固件上進行驗收時，應按下列要求進行試驗：

1.1 試驗項目

主要檢測項目如下：

——螺栓：硬度試驗、化學成分分析、拉伸試驗、沖擊試驗；

——螺母：硬度試驗、化學成分分析、拉伸試驗。

在每根緊固件上進行硬度試驗，來檢驗每批緊固件的均勻性。每批緊固件的硬度偏差一般不超過30HBW。

除在每根緊固件上做硬度試驗外，還應包括：

a）一個室溫拉伸試驗；

b）特殊規定時，一個350oC高溫拉伸試驗；

c）螺紋直徑不小于15mm的緊固件，作三個試樣為一組的夏比V型缺口沖擊試驗：

——由合金鋼或馬氏體不銹鋼棒制造的緊固件，試驗溫度為0oC；

——由奧氏體鋼棒制造的緊固件，試驗溫度為室溫。

1.2 取樣原則

硬度試驗：以批次為單位，每個緊固件均進行硬度測試；

其他試驗：按批進行其他試驗，試驗數目按緊固件數量作如下規定：

a）一批緊固件數量不超過500根，做兩組試驗；

b）一批緊固件數量超過500根，作四組試驗。

在每批硬度最低和最高的緊固件上各作一組或兩組試驗。

批次規則：每批次緊固件由同批鋼棒、相同制造工藝制造的同類型、同螺紋規格并同爐進行熱處理的緊固件組成。

2 現場檢測實施

現場實施地腳螺栓性能檢測時，主要進行如下試驗項目以評估緊固件性能否滿足技術條件。

2.1 現場硬度測試

按《GB/T 17394.1-2014 金屬材料 里氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》規定對緊固件進行表面準備和現場里氏硬度測量，并按《GB/T 17394.4-2014 金屬材料 里氏硬度試驗 第4部分：硬度值換算表》轉換為布氏硬度值。根據《GB/T 1172-1999 黑色金屬硬度及強度換算值》推測拉伸試驗的強度等指標。

現場里氏硬度測量一般較實驗室布氏硬度測量偏保守[1]，但其硬度值絕對大小仍可用于地腳螺栓材料性能整體趨勢判斷。

2.2 現場成分分析

通過便攜式成分分析儀器，判定緊固件的化學成分是否滿足要求。

3 破壞性取樣

由于目前尚無可行在線檢測試驗方法可以測算地腳螺栓材料沖擊性能，故為獲取螺栓沖擊性能，需在確保螺栓的原有功能不喪失對地腳螺栓進行破壞性取樣檢測。

進行破壞性取樣前，需對地腳螺栓露頭部分長度（即鎖緊螺母上端面至地腳螺栓上端面的長度距離）進行現場測量，根據露頭部分長度，可以采取如下兩種取樣檢測方案：

1）在螺栓長度大于70mm時，可通過直接取樣獲取完整沖擊試樣；

2）在螺栓長度小于70mm，可通過試樣重組技術獲取重組沖擊試樣。

3.1 完整沖擊試樣

根據《GB/T 229-2007 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》可知，沖擊試樣尺寸必須滿足長度為55mm，橫截面為10mm×10mm方形截面的要求。

考慮到試樣加工余量需保留5mm，現場切割取樣損耗余量5mm，以及切割露頭部分后需保留一定長度5mm（經驗值為1至2道螺紋，以便于螺母旋進與旋出），即只有在地腳螺栓露頭部分長度達70mm時，才能取到長度為55mm的完整試樣。故在地腳螺栓可切割長度大于70mm時，可考慮直接對地腳螺栓進行機械切割，取得長度大于60mm的試樣后，機加工成標準沖擊試樣進行沖擊試驗獲取螺栓材料沖擊韌性。

3.2 重組沖擊試樣

在地腳螺栓露頭長度小于70mm時，考慮到現場已安裝地腳螺栓取樣尺寸受限，無法截取完整沖擊試樣，故采用試樣重組技術對地腳螺栓材料進行沖擊性能評價（如圖1），即在螺栓露頭的地方截取一段試樣，其余母材用相同牌號材料經焊接重組后做夏比沖擊試驗，獲取沖擊值。

圖1 利用試樣重組技術測材料沖擊性能示意圖

采用上述試樣重組方案，需考慮焊接工藝、試驗裝置方法以及材料等因素確定最小插入段（檢測對象母材）尺寸，以便分析螺栓材料試樣重組技術的可行性。

4 實驗室復驗內容

在進行地腳螺栓破壞性取樣后，委托具有資質的材料實驗室進行各項材料性能檢測試驗。實驗室材料性能復驗內容包括化學成分分析、金相試驗、硬度試驗、拉伸試驗和Charpy沖擊試驗。

4.1 化學成分分析

按《GB/T 20125-2006 低合金鋼 多元素的測定 電感耦合等離子體發射光譜法》和《GB/T 20123-2006 鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外吸收法》規定執行。

4.2 金相試驗

按《GB/T 13298-1991 金屬顯微組織檢驗方法》和《GB/T 13299-1991 鋼的顯微組織評定方法》規定執行。

4.3 硬度試驗

按《GB/T 231.1-2009 金屬材料布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》規定執行。

4.4 拉伸試驗

按《GB/T228.1-2010 金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法規定》執行。可采用薄片試樣進行室溫拉伸試驗。

4.5 Charpy沖擊試驗

按《GB/T 229-2007 金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》和《GB/T 228.1-2010 金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》規定執行。沖擊試樣采用規定的55mm×10mm×10mm標準尺寸夏比V型缺口沖擊試樣，三個試樣為一組。根據Q/CNPE.J104.22-2009技術條件要求，試驗溫度為0oC。

5 結論

綜上，目前核電廠已安裝埋置式地腳螺栓材料性能檢測較為可行方案及步驟如下：

1）對檢測范圍內所有地腳螺栓進行現場里氏硬度測試和化學成分分析；

2）挑選同一批次里硬度最高和最低螺栓進行切割取樣：

——當地腳螺栓可切割長度大于70mm時，可通過直接取樣獲取完整沖擊試樣；

——當地腳螺栓可切割長度小于70mm時，可考慮通過試樣重組技術獲取重組沖擊試樣。

3）實驗室材料性能復驗：化學成分分析、金相試驗、硬度試驗、拉伸試驗和Charpy沖擊試驗。

【參考文獻】

[1]王智春，等.便攜式里氏硬度計檢測緊固件硬度偏差原因分析，華北電力技術，No.1 2009，27.

[責任編輯：張濤]