關于核級緊固件的性能要求概述

國核工程有限公司 張曉杰

關于核級緊固件的性能要求概述

國核工程有限公司 張曉杰

緊固件在核電廠安全系統和設備中大量使用，其質量與性能對核電廠安全系統和設備執行核安全功能有著重要作用。文章將總結歸納各相關標準規范中關于緊固件性能的要求，為加強緊固件的質量管理提供指導和幫助。

核級緊固件；性能；RCCM；ASME；ASTM

緊固件在核電廠安全系統和設備中大量使用，承擔了承壓密封、部件連接和支承固定等功能，其質量與性能對核電廠安全系統和設備執行核安全功能有著重要作用。然而在核電廠建設和設備制造監管過程中發現，緊固件的設計、采購、制造、安裝、驗收等方面存在薄弱環節，必須加以高度重視，切實采取有效措施進行改進和完善。2016年8月17日，國家核安全局先后發布了國核安發[2016]195號《關于進一步加強核電廠緊固件等大宗材料質量管理的通知》，國核安發[2016]284號《關于開展核電廠緊固件核查工作的通知》，要求進一步加強核電廠緊固件質量管理。本文將總結歸納各相關標準規范中關于緊固件性能的要求，為加強緊固件的質量管理提供指導和幫助。

1 國家核安全局要求

[2016]195號《關于進一步加強核電廠緊固件等大宗材料質量管理的通知》對緊固件等大宗材料質量管理提出了進一步要求，涉及設計、采購、制造、安裝及驗收等方面。主要要求有：①安全重要緊固件及其附件的設計、制造和安裝等活動，均應按HAF003及相關導則建立并實施質保體系。②在安全分析報告中增加對緊固件的相關描述。③設計單位應按緊固件的規范分級和質保等級進行設計并提出明確的設計要求。④應對緊固件制造單位進行合格供方評價和監察，并加強制造過程的質量管理和控制。⑤緊固件使用前應開展入廠（場）復驗工作，未進行復驗或復驗不合格批次的緊固件不得使用。⑥如緊固件失效，應進行失效分析。

[2016]195號《關于進一步加強核電廠緊固件等大宗材料質量管理的通知》的附件還給出了核電廠緊固件入廠（場）復驗指南，要求復驗單位是依法通過計量認證和國家相關機構認定，獨立于采購單位和制造單位的檢驗機構。復驗檢驗項目和抽樣數量由設計單位根據緊固件的分類及規范分級在緊固件采購技術條件中確定。并對復驗項目和抽樣數量提出了要求。抽樣水平是根據ASTM F1470-12《緊固件規定的機械性能和性能檢驗的抽樣標準方法》規定結合國內核電實踐形成的試驗項目、抽樣水平和抽樣數量。復驗指南參照國標GB/T 3098-2010規定。

表1 試驗的螺栓材料所要求的Cv值

表2 試驗的螺栓材料所要求的Cv值

2 RCCM規范要求

RCCM規范中緊固件相關的要求主要有M5110、M5140和M5150。M5110和M5150分別規定了用于制造1、2、3級設備中螺栓和驅動桿棒材的采購規范和用于制造S1、S2級軸、拉桿和支撐螺栓棒材的采購規范。M5140規定了壓水堆部件中的1、2、3級螺栓、螺釘、螺桿及螺母的采購規范。

2.1 M5110制品采購規范用于制造1、2、3級設備中螺栓和驅動桿的軋制或鍛造棒材

M5110規定了制作螺栓和螺桿用棒材的冶煉工藝，化學成分分析，制造、力學性能、表面檢測、體積檢測、不可接受區的清理和修補、尺寸檢查、標識等多方面的內容。力學性能部分規定了硬度、拉伸和沖擊試驗的取樣方法，試驗方法，驗收標準，復驗，重新熱處理等[1]。

試料應取自棒材的延長部分。對于非加工硬化的棒材，在每批中取4%（至少為2根）的棒材進行試驗，其中2%為該批中硬度最高的棒材，另外2%為該批中硬度最低的棒材；對于經加工硬化的奧氏體不銹鋼棒材，若已逐根進行冷加工，則試驗在每根棒上進行；若該批是從軋制的、非軋制的和冷加工的棒材頂部依次切取的，則試驗在該批的一根棒材上進行。 RCCM中的所謂批是指來自同一熔煉爐號、經相同制造過程、同爐熱處理（在使用連續爐的情況下）或經過相同的熱處理制度的截面尺寸相近的棒材。

每批中的每根棒材都應測硬度值。應對每個試料進行1組力學性能試驗，包括室溫拉伸和高溫拉伸試驗、沖擊試驗，沖擊試驗每組3個試樣。按MC1000進行硬度、沖擊和拉伸試驗，如果試驗結果不滿足，可進行復驗。允許2次重新熱處理。

M5110附件II列出了按照級別和直徑對制作螺栓和螺桿用棒材進行的檢測目錄。M5110附表III-VIII列出了碳鋼、合金鋼、馬氏體不銹鋼、非加工硬化的奧氏體不銹鋼、加工硬化的奧氏體不銹鋼、特殊牌號不銹鋼等的冶煉工藝，化學成分要求、熱處理、力學性能指標。

2.2 M5150規定了用于制造S1、S2級軸、拉桿和支撐螺栓的軋制或鍛造棒材的冶煉工藝、化學成分要求、制造、力學性能、表面檢測、體積檢測、不可接受區的清理和修補、尺寸檢查、標識等多方面的內容。力學性能部分規定了硬度、拉伸和沖擊試驗的取樣方法，試驗方法，驗收標準，復驗，重新熱處理等[2]。

表3 螺栓連接件材料所要求的Cv值

表4 螺栓連接件材料夏氏V型缺口沖擊試驗值要求

每批的每根棒材都要測定硬度值。每根棒材進行硬度測量后，在每批中取4%（至少為2根）的棒材進行試驗，其中2%為該批中硬度最高的棒材，另外2%為該批中硬度最低的棒材。應該在截取的每一根試料上進行1個試樣的室溫拉伸試驗，對于φ≥25mm的棒材，還需做1次0℃的KV（3個試樣）沖擊試驗。

試驗方法按MC1000。試驗結果不滿足，可進行復驗。允許2次重新熱處理。

M5150附件I列出了按照級別和直徑對棒材進行的檢測目錄。附表II-III分別列出了碳鋼、合金鋼的冶煉工藝，化學成分要求、熱處理、力學性能指標。

2.3 M5140制品采購技術規范壓水堆部件中的1、2、3級螺栓、螺釘、螺桿及螺母

M5140規定了壓水堆部件中的123級螺栓、螺釘、螺桿及螺母的制造、化學成分要求、交貨熱處理狀態、力學性能、表面檢測、體積檢測、不可接受區的清理和修補、尺寸檢查、標識等多方面的內容。力學性能部分規定了硬度、拉伸和沖擊試驗的取樣方法，試驗方法，驗收標準，復驗，重新熱處理等[3]。

對螺釘、螺栓和螺母，如果棒材以熱處理狀態交貨且制造后不再作熱處理，則不要求驗證其力學性能。若在制造后進行熱處理，則供貨商應進行力學性能試驗。測定的性能指標值應符合棒材采購技術規范中針對所用鋼種所規定的要求值。試驗項目和數量如下：

螺母

應對各批的每根棒材作硬度試驗。

當設備規格書有規定時，應從制造螺母的每批棒材中隨機選取鋼坯截取試樣來測定斷面收縮率和伸長率。此鋼坯應與螺母一起經過同爐熱處理。

螺釘、螺栓和螺桿

a)每批試驗的數目

為檢測每批棒材的均勻性，每批的每根棒材都應測定硬度值。一般允許30HB的偏差

每批試驗數目按棒材數目作如下規定：每批棒材數量小于等于500，2組試驗，每批棒材數量大于500，4組試驗。

b)需做的試樣

除在每根棒材上做硬度試驗外，每組試驗還應包括

——1個室溫拉伸試驗；

——如果涉及溫度足夠高，以致應用此溫度下的抗拉強度來確定棒材尺寸時，則需做1個350℃高溫拉伸試驗；

——對φ≥15mm的產品做1組沖擊試驗，規定如下：

當室溫拉伸試驗中的A%小于45%時，對奧氏體不銹鋼棒材在室溫條件下的KV（3個試樣）沖擊試驗。

對碳鋼、低合金鋼和馬氏體不銹鋼棒材，在0℃時做KV（3個試樣）沖擊試驗。

試驗方法按MC1000。試驗結果不滿足，可進行復驗。允許1次重新熱處理。

3 ASME和ASTM規范要求

3.1 ASME中的要求

ASME第Ⅱ卷第1分篇表3和表4列出了關于螺母或螺栓用材料的規格要求，在第II卷材料篇相對應的標準中是螺栓或螺母材料的具體性能要求[4]。

ASME III CC-2500襯里材料斷裂韌性，要求每批襯里螺栓連接材料應做夏比V型缺口沖擊試驗。CC-2521.1規定了沖擊試驗的材料范圍，CC-2523.1， CC-2524.3，CC-2525.4，CC-2527.2分別是對螺栓連接材料沖擊試驗取樣、沖擊試驗要求及驗收準則、試驗的次數、復試等相關要求。試驗可在金屬最低工作溫度或在低于金屬最低工作溫度30℉（17℃）或更低溫度下進行。在金屬最低工作溫度下進行試驗時，應測定橫向膨脹量和吸收能量值，三個試樣均應符合表1的要求。在低于最低金屬工作溫度30℉（17℃）或更低時，應測量橫向膨脹和吸收能量，所有三個試樣應滿足表2中的要求。

ASME III NB-2000, NC-2000, ND-2000提出了對螺栓連接用材料規格、性能試驗試樣或試件的制備、要求進行沖擊試驗的范圍、沖擊試驗取樣、沖擊試驗要求和驗收標準、試驗次數、檢測及修補等方面的要求。

對于螺栓連接件材料包括雙頭螺栓、螺母和螺栓，三個CV試樣的試驗溫度應不高于螺栓預緊溫度或最低使用溫度（取兩者中較小值）。NB-2333和NC-2333要求三個試樣都應滿足表3的要求，ND-2333要求三個試樣都應滿足表4的要求。

3.2 ASTM中的要求

《ASTM F1470-12規定機械特性和性能檢驗用緊固件抽樣指南》規定了抽樣方法以確定緊固件的機械和物理性能、涂裝等質量要求是否可接受[5]。該指南提供了兩種方案，detection process和prevention process。對于不同的性能總共有ABCD四級抽樣水平，A最嚴格，A到D依次變松。detection process方案的大部分檢查項均比prevention process高一級抽樣水平。該抽樣指南可用于制造方的最終檢查方案或用于買方或使用方的接收檢查方案。如果制造方的質保體系符合ASQ Q9001，ISO 9001，或按照F2688，則制造方可選擇detection process或prevention process抽樣方案進行檢查和試驗，或購買方已指定抽樣方案，否則應采取detection process抽樣方案。

4 國標要求

《GB/T3098.1-2010緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》規定了由碳鋼或合金鋼制造的、在環境溫度為10℃～35℃條件下進行測試時，螺栓、螺釘和螺柱的機械和物理性能[6]。GB/T3098.1適用于粗牙螺紋M1.6～M39，細牙螺紋M8*1～M39*3。GB/T3098.1規定了各性能等級的緊固件用材料的化學成分極限和最低回火溫度，各性能等級的螺栓、螺釘和螺柱的抗拉強度、屈服強度、保證應力、斷后延長率 、斷面收縮率、頭部堅固性、硬度、脫碳、破壞扭矩、吸收能量、最小拉力載荷、保證載荷等物理和機械性能。還規定了各種試驗方法及其適用性。

5 總結

RCCM在相關的制品采購規范中規定了不同等級緊固件的性能要求，包括及試驗方法和驗收標準等。ASME規范中CC-2000，NB-2000，NC-2000，ND-2000分別規定了不同等級緊固件斷裂韌性要求，包括試驗方法和驗收標準等，在具體的材料章節有關于緊固件用材料的各項性能要求。ASTM F1470-12給出了緊固件性能檢驗的抽樣指南，主要用于緊固件性能的復驗。GB/T3098.1-2010則主要注重于對螺栓、螺釘和螺柱等緊固件成品性能檢驗要求和試驗方法。

[1]RCCM M5110, 制品采購規范用于制造1、2、3級設備中螺栓和驅動桿的軋制或鍛造棒材[S].2002.

[2]RCCM M5150, 制品采購技術規范 用于制造S1、S2級軸、拉桿和支撐螺栓的軋制或鍛造棒材[S].2002.

[3]RCCM M5140, 制品采購技術規范 壓水堆部件中的1、2、3級螺栓、螺釘、螺桿及螺母[S].2002.

[4]ASME III, RULES FOR CONSTRUCTION OF NUCLEAR FACILITY COMPONENTS[S].2004.

[5]ASTM F1470-12, Standard Practice for Fastener Sampling for Specified Mechanical Properties and Performance Inspection[S].2012.

[6]GBT3098.1-2010，緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱[S].北京：中國標準出版社，2010.