核電廠低壓進汽導管螺栓斷裂原因分析

張金禮，李開盈，張精干

（1.中國核電工程有限公司，浙江嘉興 314300；2.中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

某核電廠低壓進汽聯通管和再熱汽門布置如圖1 所示。低壓進汽導管是每臺低壓缸的進汽通道，聯通汽水分離再熱器（MSR）和低壓缸，兩臺MSR 再熱后的蒸汽經聯通管匯流后進入低壓缸內做功。聯通管工作壓力為低壓缸進汽壓力0.978 MPa，工作溫度為額定蒸汽溫度265.2 ℃。聯通管上布置12 臺再熱調門和再熱主汽門，當汽機跳閘后動作，起蒸汽截流和超速保護功能。

圖1 聯通管和再熱汽門布置

聯通管和再熱汽門法蘭單片設計螺栓44 顆，單機組裝機量44×6=264 顆；再熱門法蘭單片設計螺栓44 顆，六角頭螺栓單機組裝機量44×2×12=1056 顆。

螺栓型式為六角頭螺栓，規格M24×2-6g，材料5Cr2MoVA-Ⅱ，強度等級735；螺母型式為六角螺母，規格M24×2-6H，材料25Cr2MoVA-Ⅱ，強度等級590。

1 缺陷描述

機組大修期間，因檢修工作需要執行3 臺低壓缸進汽聯通管以及11 臺再熱汽門的拆裝，期間發生聯通管和再熱汽門法蘭螺栓大面積咬死、無法正常拆卸現象。

檢修工作共涉及1232 顆螺栓的拆卸，現場首先采用敲擊扳手人工拆卸的方法進行拆除，經現場實操，工作進展極慢、效率極低，4 h 內完成了9 顆螺栓的拆卸工作，其中2 顆螺栓咬死無法拆除。后改用液壓扳手拆卸，螺栓咬死率大幅度升高，經統計,發生咬死的螺栓共計1000 余顆，占比約80%。

螺栓、螺母等緊固件屬于檢修工作的B 類備件，即非必換件。螺栓、螺母的設計和選型應滿足足夠的強度，提供足夠的緊固力矩。正常螺栓、螺母等緊固件應能夠自由拆裝，并重復使用。

2 原因分析

2.1 檢修缺陷情況統計

對檢修過程中螺栓損傷情況進行統計如下：

（1）3 號機前一次大修期間執行3 號低壓缸全面解體檢查，拆卸3 號低壓缸聯通管，涉及螺栓88 顆，咬死更換79 顆，咬死比例90%。

（2）4 號機前一次大修期間執行3 號低壓缸全面解體檢查，拆卸3 號低壓缸聯通管，涉及螺栓88 顆，咬死更換80 顆，咬死比例91%。

2.2 螺栓材質和力學分析

從失效的螺栓中隨機選取斷裂螺栓3 顆，完整螺栓1 顆、螺母3 顆，分析如下；

（1）宏觀檢查。螺栓斷裂位置位于與螺母嚙合的第一個螺牙的牙底附近，斷口有扭轉塑性變形特征，近斷口螺紋有較嚴重的螺紋變形和材料脫落，螺栓螺紋缺損比螺母更為嚴重；螺栓表面呈紅褐色，有明顯的浮銹（圖2）。

圖2 螺栓螺母斷口形貌

（2）化學成分分析。利用電感耦合等離子體發射光譜儀和C、S 分析儀進行化學成分分析，分析結果和B/HJ 416—2004 和GB/T 3077—1999 的成分要求進行對比，螺栓、螺母的化學成分均滿足標準對材質的成分的相關要求（表1）。

表1 螺栓螺母化學成分分析結果 wt%

（3）硬度測試。螺栓、螺母的設計材料強度等級分別是735和590，試樣表面經金相砂紙磨光，并進行拋光處理，采用臺式布氏硬度計測試，測試發現螺母的硬度值略高于螺栓，且高于B/HJ 416—2004 標準要求的上限值。

標準：螺栓（735）強度等級269～302 HB/螺母（590）強度等級241～277 HB。

螺栓（735）測量值/HB：274、291、283、272，平均值/HB：280。

螺母（590）測量值/HB：295、278、284、286，平均值/HB：286。

（4）力學性能測試：對螺栓取樣進行室溫拉伸試驗和室溫沖擊試驗，拉伸試樣采取直徑10 mm 的圓棒狀標準拉伸試棒，在精密電子萬能材料試驗機上進行拉伸性能測試，依據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》。采用沖擊試驗機對送檢螺栓取樣進行室溫沖擊試驗，依據GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，螺栓的力學性能數值均滿足B/HJ 416—2004 中材料的力學性能指標（表2）。

表2 螺栓力學性能測試結果

（5）金相和夾雜檢驗。在金相顯微鏡下對螺栓螺母進行金相和非金屬夾雜檢驗，參照GB/T 10561—2005，用A 法檢驗整個試樣拋光面進行夾雜物評級：螺栓、螺母金相組織主要由回火索氏體、少量回火馬氏體和少量鐵素體組成，為正常組織，平均晶粒度均在5 級以上，符合企業標準B/HJ 416—2004 平均晶粒度不粗于4 級的規定；非金屬夾雜在正常范圍內。

綜上，螺栓、螺母材料的化學成分、金相組織、力學性能等未見明顯異常，螺母材料硬度高于螺栓，且高于相關企業標準。

2.3 螺栓受力分析

螺栓最大擰緊力矩計算：螺栓材料的屈服極限σs=735 MPa，螺栓公稱直徑d=24 mm，螺牙高度p=3 mm；螺栓橫截面積S=1/4π（d-0.9382p）=352.3 mm；螺栓最大預緊力F=σsS=258 940 N；擰緊力矩系數K 取0.18，則螺栓最大擰緊力矩T=KdF=1118.6 N·m。

根據低壓進汽管的拆裝維修規程，螺栓安裝緊固力矩800 N·m，低于其最大允許擰緊力矩。但現場采用液壓扳手緊固和拆卸螺栓過程中，液壓扳手需以相近的導汽管外壁作為支靠點，被緊固的螺母除承受扭矩作用外還受偏載作用力影響，螺栓和螺母的螺紋在即將緊固完成時承受最大的應力作用，在此臨界狀態下螺母共受3 個力作用：①扭矩800 N·m；②偏載作用力，螺栓中心線與液壓扳手支靠點的距離是130 mm，扭矩800 N·m，從而得出偏載力6154 N；③螺栓伸長獲得的預緊力，取扭矩系數為0.18，可得螺栓載荷約為180 kN。

針對以上受力建模進行有限元分析（圖3）：對左側螺栓加力，右側不做加力處理，僅需看左側即可。螺母受力載荷為：D—800 N·m扭矩、E—6154 N 偏載力、A—180 kN 預緊力。

圖3 螺栓應力模型

螺栓等效應力云圖顯示：螺栓承受最大應力為997.37 MPa，應力最大點處于螺栓與螺母嚙合第一扣螺紋處，遠超過材料屈服強度值785 MPa，且區域較大，有很大可能是造成螺紋形變乃至咬牙的重要原因。

螺母等效應力云圖顯示：六角螺母承受的最大應力為740.12 MPa，位于與螺栓嚙合的第一扣螺紋處，也已經遠超其屈服強度590 MPa，導致安全余量不足，多次使用后有螺紋形變的可能。

2.4 其他可能原因

（1）在螺栓、螺母的安裝緊固過程中，螺牙旋轉配合情況受多重因素影響，包括螺母緊固受力方向、螺栓緊固法蘭面的表面情況、螺牙表面清潔情況等，任何一種因素都可能導致螺栓、螺母的螺牙配合無法按照理想狀態進行，從而產生螺牙磨損和損傷的可能，帶來螺栓咬死隱患。

（2）現場檢查聯通管法蘭面表面，因螺栓多次緊固和拆裝，法蘭表面已產生明顯的擠壓凹槽。因此存在螺栓緊固過程中因螺牙配合不良，咬牙、損傷導致咬死的可能。

（3）聯通管法蘭和再熱門法蘭螺栓在接近280 ℃的高溫條件下長期運行，存在一定的高溫氧化、銹蝕現象，在斷裂螺栓的宏觀檢查過程中發現螺栓表面呈紅褐色，有明顯的浮銹。螺紋氧化、銹蝕會導致螺牙間配合間隙減小，給螺栓拆卸帶來一定影響。一般情況下，螺栓的拆卸應通過合適的力矩反復松緊并敲擊、潤滑來實現，現場利用液壓扳手直接以2000 N·m 力矩拆松螺栓，一方面可能因力矩過大導致螺牙屈服變形，另一方面也可能破壞螺栓表面的氧化、銹蝕層，造成氧化、銹蝕產物在螺紋間發生積聚，進而導致螺栓完全卡死無法拆卸。

綜合上述，現行螺栓的安裝緊固方式造成緊固過程中螺栓、螺母受力超出其屈服極限，引起螺牙屈服變形是螺栓咬死的主要原因；另外，螺栓緊固的法蘭表面情況不佳、螺栓拆卸工藝不合理等也對螺栓咬死有一定的影響。

3 處置策略及可行性分析

（1）螺栓、螺母規格變更，選用更大尺寸、強度等級更高的螺栓和螺母，緩解螺栓咬死問題。但由于再熱汽門閥體法蘭設計已固化，此方案僅適用于聯通管法蘭螺栓，針對再熱門法蘭螺栓并不適用，且需要對聯通管法蘭進行整體設計變更以滿足更大規格螺栓的安裝空間需求。

（2）優化螺栓安裝和拆卸工藝，禁止使用液壓工具安裝和拆卸螺栓。通過力矩扳手安裝螺栓可避免偏載作用力的影響，降低螺栓安裝應力，能在一定程度上緩解螺栓屈服變形進而降低螺栓咬死概率。選用此方案會對現場螺栓的安裝和拆卸時間造成一定影響，影響檢修工作現場進度。

（3）在不改變螺栓規格的情況下，選用新型螺母對現有螺母進行替代更換：①選用洛帝牢多頂推超級螺母；②選用凱特克機械拉伸螺母。此兩種螺母的設計都能有效避免螺栓緊固過程的偏載力，降低螺栓安裝應力，減小螺栓變形咬死的可能。但選用此方案的成本投入較高，其中洛帝牢螺母單價約4000 元，凱特克機械拉伸螺母單價約3000 元，現有螺栓螺母一套單價約400 元，按照檢修周期計算，分別需45 年、34 年方可收回螺母采購成本。

（4）維持現有螺栓、螺母規格型號以及緊固拆卸方式不變，將螺栓、螺母按照必換件進行管理。此方案下螺栓咬死問題無法有效避免，咬死量大，需采用破壞性方式拆卸螺栓，備件消耗量大。

4 結語

通過對核電廠因檢修工作需要執行低壓缸進汽聯通管以及再熱汽門的拆裝，期間發生聯通管和再熱汽門法蘭螺栓大面積咬死、無法正常拆卸現象進行原因分析，總結處置策略。經過綜合考量投入和產出、時間窗口以及成本等各方面因素，選用合適的處置策略，最終將聯通管和再熱汽門法蘭螺栓、螺母做必換件管理，執行定期備件更換，將維修程序文件進行改善和升版。通過分析總結，為其他核電機組類似缺陷源問題分析提供借鑒和參考。