核级紧固件质量管理分析

焦少阳　郑越　高扬　路晓晖

【摘 要】本文首先介绍了核电站用核级紧固件的制造工艺流程，其次根据全面质量管理理论，从人、机、料、法、环五个角度分析讨论了紧固件制造过程中的质量管理问题；然后分析了紧固件在执行RCC-M标准常见的技术问题，如热处理、硬度检测和表面防腐；最后给出了紧固件的质量监督方法及增加入厂/场复验的必要性要求，以保证紧固件在采购和制造等阶段的质量可控。

【关键词】紧固件；质量管控；RCC-M

0 引言

紧固件在核电厂安全系统和设备中大量使用，承担了部件连接、承压密封和支承固定等功能，其质量与性能对于核电厂安全系统和设备执行核安全功能有着重要作用。但是紧固件制造门槛较低、采购制造加工环节繁杂、生产企业众多，从而导致产品质量管理不易控制，部分紧固件生产企业为了获得市场而采取各种方法降低成本，如采用劣质钢材作为原材料、通过虚假试验报告以减少试验数量、利用清洁要求不达标的库房进行仓储等，使得这类紧固件的质量不可控，且无法满足核电站的技术要求及质保要求。

本文首先介绍了核级紧固件（如螺栓、螺柱、螺杆、螺钉、螺母等）制造工艺流程以及相关检测检验要求；然后从质量管理及日常监督检查角度，指出了紧固件在生产制造中存在的问题并给出相应建议；其次分析了紧固件制造厂在执行RCC-M体系[1]材料采购技术条件中，容易出现的技术问题以及注意事项；最后针对紧固件完工报告中的数据不完整或存在虚假数据等问题，提出了建立有效质量保证体系以及增加入厂/场复验的必要性要求。

1 紧固件制造工艺流程

紧固件的主要制造工艺流程包括：原材料采购→复验→下料→热锻（螺栓和螺母）→热处理（如有）→性能试验（如有）→机加工→滚丝成形→表面处理→表面检查→无损检测→尺寸检查→包装运输。

紧固件制造厂采购的原材料钢棒根据最终紧固件类型，热处理状态会有所不同。一般在制造紧固件过程中不需要进行热加工时，如螺柱、螺杆等，采用经性能热处理（满足成品力学性能）的棒材制造；如果紧固件在制造过程中需要进行热加工，如热镦的六角头螺栓和螺母，则采购热轧态的棒材。原材料钢棒在入厂后需进行复验，复验合格后下料分割成长度若干的短棒以制造不同种类的紧固件。

核级紧固件的力学性能检测，通常包括硬度、室温拉伸、高温拉伸和冲击试验。硬度试验要求在每个成品紧固件上进行，且每批紧固件的硬度偏差不超过30HBW；室温拉伸要求每批至少进行2次试验；高温拉伸试验一般只有当部件设计温度超过250℃时才需要进行，1级设备用紧固件需要该项试验；对于螺栓类紧固件，当螺纹公称直径大于等于15mm时，要求进行冲击试验，其中奥氏体不锈钢紧固件的冲击试验温度为室温，其他紧固件（如碳钢、合金钢、马氏体不锈钢等）的冲击试验温度为0℃。

紧固件成形主要包括热加工、机加工和攻丝。热加工包括热镦六角头或螺母坯料，机加工主要为将钢棒机加工至要求尺寸。螺纹加工方法有很多，可以车削、铣削、磨削和滚压，通常采用滚压成形。滚压螺纹是一种无屑加工工艺，滚压时工件材料表面纤维不但未被切断，反而得到进一步强化，由于滚压时表面加工硬化并形成压应力，还可提高疲劳强度；对相同螺纹直径的螺栓，采用滚压螺纹的坯料直径较机加工螺纹的坯料直径小，从而可以节省一定量的材料。

紧固件的表面处理方法应根据使用环境和使用条件进行选择。对于普通室内环境、无腐蚀介质的情况下，一般采用磷化后表面整体涂漆或局部涂油进行保护；对于潮湿环境，通常采用镀锌处理；对于高温管道或设备用紧固件，由于存在脆化，含镀层紧固件应在不高于镀层熔点一半的温度下使用，如镀锌紧固件应在不高于210℃时使用。不锈钢紧固件，一般不要求进行表面防腐处理。

核级紧固件的无损检测检测包括表面无损检测（如液体渗透检测和磁粉检测）和体积无损检测（如超声检测）。一般螺纹公称直径超过25mm时，需要进行表面无损检测，通常在螺纹加工（即攻丝）后进行，且奥氏体不锈钢紧固件采用液体渗透检测，其他类型紧固件采用磁粉检测或液体渗透检测。因形状原因，紧固件的超声检测不在成品上进行，而在原材料棒材上进行，通常当紧固件用原材料钢棒尺寸超过50mm时需要进行超声检测。

2 紧固件生产制造中的管理问题

根据全面质量管理理论，影响产品质量的主要因素主要包括人员、机器（如设备、测量工具等）、原材料、执行法规标准和环境。下面根据紧固件的生产制造特点以及产品验收情况，从质量管理角度分析影响紧固件质量的主要因素。

2.1 人员因素

紧固件制造门槛低，以致部分紧固件制造单位的生产人员未经专业有效培训即实施生产；另外，对紧固件用原材料钢棒的超声检测，在攻丝完成后需要进行表面无损检测（如液体渗透、磁粉检测），对这些无损检测的人员应取得HAF602人员资质证书。因此为保证核级紧固件的生产质量，应选用具备相关技能和资质的人员。

2.2 机器设备因素

紧固件制造设备包括打头机、螺母冷热镦成型机、滚丝机、攻牙机、热处理设备、各种机加工车床等；性能检测设备包括硬度试验计、万能力学性能试验机（可进行拉伸、扭转、弯曲等试验）、冲击试验机等；尺寸检测设备包括尺寸检查用卡尺、通止规等；无损检测主要设备包括磁粉探伤仪、液体渗透探伤材料、超声检测设备等。不管是制造设备，还是测量测量设备均应按照相应操作规范进行，并定期校对验证，以防止设备老化失效不可用。

2.3 原材料控制

原材料控制包括原材料采购、到货检验和库存管理等3个方面的内容。紧固件制造厂应选择质量合格的供应商采购棒材，并在原材料入厂时进行复验，在进行有效标识后，方可进行生产制造。

2.4 法规标准

紧固件各个制造环节，包括原材料采购、制造、检测、包装、运输等均应按相应的技术要求执行，重要执行文件还需要采购方批准。除此之外，还需要做好记录工作，如填写原材料信息卡（如牌号、规范等级、炉批号、热处理状态等）、工艺卡流转卡、试验状态及结果等，以防止相关标识文件或工艺流程文件在流转中未被有效执行，并造成材料混用、质量失控的风险。

2.5 环境因素

紧固件在库存管理时，要做好标识，并进行分类存放，防止和其他民用产品混放而导致发生碳钢和不锈钢混放造成的污染事件；另外仓储环境要保证干燥以防止紧固件在表面处理前发生腐蚀，尤其是滨海敞开式的储存厂房；紧固件制造企业还应建立独立的表面防腐车间，或在产品成形后外委其他单位进行表面防腐处理，当表面防腐不到位，尤其是镀层厚度不足时，将容易导致紧固件产生腐蚀失效。

3 紧固件生产制造中的技术问题

根据紧固件的生产制造经验及核电站中的使用经验反馈，紧固件制造厂在执行RCC-M标准或根据RCC-M标准编制的相关工程技术文件中存在各种技术问题，主要包括原材料钢棒热处理、硬度检测和表面防腐处理等。

3.1 原材料钢棒的热处理

紧固件的力学性能是通过性能热处理来实现的，该性能热处理可在钢棒采购阶段进行，也可在紧固件制造厂进行，往往由制造工艺决定。当紧固件在制造中需要热加工（如热镦螺栓六角头，热镦螺母坯料等）时，一般采购热轧态钢棒；当制造中仅需要进行机加工（如双头螺柱、螺杆等）时，一般采购经性能热处理态钢棒。

钢棒通常按照GB标准采购，而核级紧固件的化学成分、力学性能等需要满足RCC-M规范中的要求。为了消除实际采购和标准要求之间的差异，一般在原材料钢棒入厂时除进行化学成分复验外，还应根据不同情况进行力学性能复验。

3.2 硬度检测

根据RCC-M规范要求，核级紧固件应逐个进行硬度检测，通常要求进行布氏硬度（HBW）检测，但部分硬度较高的材料也允许利用洛氏硬度（HRC）进行代替。目前核级紧固件在制造检测过程中，常用硬度检测方法包括：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和里氏硬度[2-3]。目前，在紧固件的原材料采购、制造、验收等过程一般都存在硬度检测方法的代换申请（如用洛氏或里氏硬度代替布氏硬度），则了解不同硬度检测方法的特点及之间的转换关系将极为必要。

不同硬度之间存在换算关系，对于维氏、布氏、洛氏硬度之间的转换，可以参考GB/T 1172《黑色金属硬度及强度换算表》进行换算；对于里氏硬度和其他硬度的换算，参考GB/T 17394.4《里氏硬度试验 第4部分：硬度值换算》进行换算具有较大不确定度，通常需要利用硬度对比曲线进行换算。

从检测结果精度分析，维氏>布氏>洛氏>里氏；从简便程度及试样制备上分析，里氏硬度最方便，采用台式硬度计进行检测维氏、布氏和洛氏硬度检测较为繁复。所以对硬度检测，通常在原材料钢棒或随炉料钢棒上进行测试布氏硬度或洛氏硬度；如果批量生产的成品紧固件，由于数量较多，难以逐个在台式硬度计上进行硬度试验，一般采用便携式里氏硬度计进行检测，然后转化为布氏硬度或洛氏硬度；对于现场某些不能移动的设备部件，如地脚螺栓的在线硬度检测，也需要采用里氏硬度转化为布氏硬度或洛氏硬度方法进行检测。

3.3 表面防腐

碳钢和合金钢紧固件在使用前需要进行表面处理，目前常用的表面处理方法包括磷化和镀锌。磷化属于临时防腐，紧固件在磷化交货后，还需要在设备现场安装后同设备本体进行整体涂漆或局部涂油进行长期保护；镀锌可以提供长时间的防腐保护，但是相对于磷化工艺要求较复杂，另外在电镀时由于阴极反应容易引入氢，增加紧固件发生氢脆的风险。

根据核电站现场紧固件使用过程的经验反馈，高强度螺栓（抗拉强度超过1000MPa）容易发生氢致应力腐蚀开裂。氢致应力腐蚀开裂的机制是，紧固件在加载预紧力后，材料中原有的氢通过应力诱导扩散富集在缺陷处，促进缺陷扩展；同时在局部腐蚀环境下，阴极电化学反应也会产氢并加剧氢的积聚；当缺陷处氢积聚到一定程度后，在外力作用下，氢致应力腐蚀裂纹形成、发展并最终导致紧固件断裂[4]。

紧固件中的氢来源主要包括两种，一种来自表面处理，一种来自长期服役中的电化学腐蚀反应；为了减少紧固件在使用过程中的氢致应力腐蚀敏感性，必须对高强度螺栓紧固件的表面处理过程进行有效控制。

4 紧固件的质量监督及控制

对于紧固件完工报告中相关试验结果缺失或不完整，应监督紧固件制造厂按照HAF 003《核电厂质量保证安全规定》建立质量保证体系，并保证该质量保证体系有效运转是解决该类问题的主要方法。

另外，对采购紧固件增加入厂/场复验，不仅可有效保证紧固件能够满足设计标准，而且也可在一定程度上避免紧固件制造厂完工报告资料不完整或存在虚假数据等现象，同时也在一定程度上保证了紧固件的质量可靠。

5 结论

本文首先介绍了紧固件制造工艺流程，并在此基础上分析讨论了紧固件生产制造中的管理和技术问题，并给出了对应解决方案；针对完工报告中性能数据不完整等问题，给出了加强质量保证体系的解决方法，另外对紧固件实施入厂/场复验，也在可一定程度上保证其质量可靠性。

【参考文献】

[1]RCC-M 压水堆核岛机械设备设计和建造规则[C].2007.

[2]段向胜，邱小坛，周燕，等.钢材里氏硬度与抗拉强度之间换算关系的试验研究[J].建筑科学，2003，19（3）：48-51.

[3]王智春，蔡文河，吴勇，等.便携式里氏硬度计检测紧固件硬度偏差原因分析[J]. 华北电力技术，2009，1：27-29.

[4]张先鸣.高强度紧固件氢脆的产生及预防措施[J].研发与应用，2004，5：81-83.

[责任编辑：杨玉洁]