火电机组螺栓金属监督工作浅析

丁书海

山西鲁能河曲发电有限公司 山西 河曲 036500

引言

螺栓是火电机组中广泛使用的重要紧固件,应用于锅炉、汽轮机设备及承压管道法兰、阀门等处,对机组的安全稳定运行起着非常重要的作用。近年来,由于螺栓损坏问题,造成设备损坏或机组非计划停运事件时有发生,严重影响了机组的安全稳定运行,同时也暴露出螺栓金属监督方面存在一些不足。

一、螺栓损坏原因分析

近年来,我国火电机组发展迅速,600MW及以上火电机组不断投产,火电机组数量不断增加,同时200MW及以下机组运行部分机组已接近服役期,设备存在老化问题。螺栓作为火电机组中重要的紧固件,在设备运行过程中处于一直做功状态,承载加大的作用力,容易发生疲劳断裂。由于螺栓损伤造成设备损坏事件或机组非停事件近年来屡有发生。

2018年3月,某电厂600MW汽轮机高调门油动机上伺服阀四根固定螺栓断裂造成抗燃油泄漏,抗燃油系统油压低保护动作造成机组非计划停运。伺服阀断裂的螺栓材质为35Cr Mo,等级为8.8级,规格为M9.3×50mm。事件发生后,由专业金属监督人员对断裂螺栓进行了检测,结果显示螺栓的主要化学成分和硬度等各项指标均符合GB/T3098.1－2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》的要求,螺栓螺纹牙底存在折叠缺陷,且该处为应力集中区域,易形成裂纹源,同时带有折叠缺陷的螺栓因为材料脆性较大,难以抵抗裂纹扩展,发生快速的脆性断裂。

根据螺栓损坏事件,对螺栓损坏原因进行了分析总结,从材质方面考虑,螺栓损伤形式主要蠕变和疲劳两种形式,发生断裂主要形式为蠕变脆性断裂和疲劳断裂；从作用力方面考虑,螺栓使用过程中主要受到轴向拉伸应力及偏心时受到的附加弯曲应力。造成螺栓损坏可能存在以下主要原因：

1、螺栓材料达不到要求。选用等级偏低,强度不能满足要求,同时钢材质量不良,内部存在非金属夹渣物,易发生螺栓脆性断裂。部分螺栓生产厂家为降低生产成本,选用的螺栓钢材质量不良,未进行有效检测,造成生产出来的螺栓存在缺陷；在选用螺栓时,为节约成本,选用的螺栓与实际工作温度、压力接近,未提高等级选用。

2、螺栓的加工质量不良。在加工时造成螺栓塑性降低、螺栓、螺母配合不到位等缺陷。如在加工过程中,加工精度控制达不到要求,不能有效控制,造成螺栓螺杆、螺母配合间隙偏大,影响螺栓强度,同时部分合金螺栓需要进行热处理,而生产厂家未严格按照热处理要求进行处理,造成螺栓在投运后发生损坏问题。

3、螺栓结构设计不合理。螺栓根部圆角半径太小,在局部区域造成严重应力集中,都会促使螺栓过早的损坏[1]。一般为了减少应力集中情况的发生,螺纹牙底应加工呈圆弧状,圆弧半径不应小于0.1螺距,同时螺纹和螺杆之间的退刀槽也应该圆弧过渡,圆弧半径约为0.3倍的螺栓直径。

4、未严格执行安装、检修工艺。紧固螺栓时力矩过大,预紧力过大增加了拉应力、扭应力和弯应力,易造成螺栓断裂,同时由于人为不注意也会造成螺栓损伤；在螺栓安装时,螺杆与法兰平面不垂直、螺母支撑面与法兰不平行等均会造成螺栓受到偏心负荷影响,产生附加弯曲应力；在检修回装时不能将螺栓表面氧化膜、杂物及时清理,使螺栓表面产生毛刺造成螺纹损伤,安装时未在螺栓上涂抹抗咬合剂等。同时在螺栓安装时,同一位置处螺栓选用不同材质和强度的等级的螺栓,在使用过程中也易发生螺栓损坏。

5、螺栓在恶劣的运行环境下工作易发生损坏。一是在运行过程中,设备产生振动造成螺栓处于高频振动状态,二是部分螺栓长期处于高温、高压环境下,且部分设备频繁启动,使螺栓在变工况下运行,螺栓受到热疲劳应力而产生疲劳裂纹。

通过以上原因可以看出,对螺栓开展有效的金属监督工作非要必要。

二、螺栓金属监督常用方法

对螺栓进行有效的金属监督是目前各火力发电厂一直开展的工作,在维护过程中主要采用宏观检查、硬度测量、着色检验等方式,在出现螺栓断裂问题或机组检修期间,对螺栓检查重点采用超声波检验、着色检验、硬度测量及金相检验。

1、宏观检查。检修人员肉眼对螺栓进行检查,检查螺栓螺纹有无损伤、螺杆是否存在裂纹及螺杆与螺纹配合是否正常等。该种检查方式简便易行,技术含量比较低,易发现表面存在的问题,但需要检查人员有一定的责任心。

2、超声波探伤或着色无损检验。超声波检测灵敏度高、速度快、对宏观裂纹缺陷检出率高,对人体无损伤；缺点是要求工作表面平滑、富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、对缺陷没有直观性；超声波探伤适合于厚度较大的零件检验[2]。着色检验是渗透探伤的一种,是将溶有彩色染料的渗透剂渗入工件表面,使缺陷内的彩色油液渗至表面,根据彩色斑点或条纹发现和判断缺陷。其优点是操作方便快捷,显示直观,检测成本低,适用于任何材质；缺点是只能检测表面开口的缺陷,对表面光洁度有要求,不适于检查多孔性疏松材料制成的工件和表面粗糙的工件,灵敏度低,且不能探测缺陷深度。

3、金相检验。主要是运用二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌,从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。在火力发电厂螺栓检测中,主要用来检验合金螺栓材质组织是否粗大或有无网状晶界。由于现场条件限制,金相只能检验螺栓的光杆部分或端部,无法检验螺纹根部,因此该项检验只能作为评定材质性能的一个参考指标,不能检测螺栓蠕变损伤。通常火力发电厂中一般将金相组织检测委托电科院或专业检测部门进行。

4、硬度检测。硬度是材料抵抗更硬物压入其表面的能力,是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标,能够比较客观地反映材料力学性能。硬度较低代表其强度较低,硬度较高代表着其韧性可能较差。螺栓硬度检测快速、经济,是力学性能试验的常用方法,但使用不同测量设备时会造成其测量值不同,影响其准确性,同时硬度值只能用于间接评价材质性能,而不能用于评定螺栓蠕变损伤的程度。

5、螺栓蠕变伸长量测量。DL/T439－2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》“技术档案管理”规定,新螺栓在使用前应进行螺栓蠕变初始长度监督,运行过程中技术档案应包括蠕变测量数据,高温螺栓蠕变伸长量测量对判定蠕变损伤十分有效。

三、螺栓金属监督存在问题及改进措施

在火电机组正常运行过程中,虽然开展了螺栓金属监督工作,但仍存在以下不足：

1、对新采购的螺栓检查不到位。新螺栓到厂后,只对高温高压螺栓进行检查,其他螺栓不进行检查或抽查率比较低,缺少螺栓质量证明书或检验单,无光谱、无损检验、硬度试验等验收资料；同时在螺栓保管时未做好记录。

2、螺栓金属监督台账不健全。在设备检修过程中,部分电厂只注重主要设备、零部件的台账记录,对螺栓未建立台账或有台账但记录不齐全,更换、检测台账不能及时进行记录,有的电厂对螺栓金属监督工作不重视,无台账记录。

3、螺栓金属监督工作不能严格执行相关标准。DL/T439－2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》第4.1.1条规定“到货验收时应依据GB/T 90.1、GB/T 90.2的要求检查包装质量,根据产品标准的规定检查产品的标识、数量和产品质量检验单(包括化学成分、低倍和高倍组织、力学性能)”1。有些螺栓制造厂无产品质量检验单或产品质量检验单不符合要求,未进行相关检验,而电厂在验收过程中存在把关不严问题,未对相关内容进行检查。同时在设备投运后,第4.2.3条规定“A级检修时,对M32级以上的高温螺栓,应根据螺栓的规格和材料,至少抽取10%数量螺栓进行金相组织检验”[4]。在实际检修工作中,部分电厂由于缺少专业检测人员和设备,不能严格按照10%的标准进行抽样检查。

4、螺栓金属监督缺少技术人员和设备。部分电厂对金属监督工作重视程度不足,专业金属监督人员数量不足,且部分人员未进行专业的培训,技术水平不能满足检查要求；同时对金属监督所用的设备配备不齐全,部分检测项目无法完成。

针对螺栓金属监督存在的以上问题,提出以下建议：

1、加强对新螺栓的检查验收。各火力发电厂把好螺栓入厂关,制定螺栓到货验收标准,明确检查内容、标准,在新螺栓到货后,严格按相关标准进行验收,提高螺栓入厂合格率。

2、加强对螺栓金属监督的重视程度

(1)建立、完善螺栓金属监督台账。对金属监督台账进行全面梳理,未建立螺栓金属监督台账的及时建立台账,已建立台账的进行完善,特别是对高温高压螺栓和重要设备处使用的螺栓,确定螺栓材质、强度等级、使用年限、检验情况等,确保台账能有效指导检修工作。

(2)严格执行螺栓检测相关标准。在检修过程中,严格按相关标准对螺栓进行相应的检测,同时对频繁拆卸的螺栓,适当缩短检测周期；在螺栓检测过程中,严格执行相关标准,确保结果准确；对检测中发现的问题,及时进行处理,不能置之不理。

(3)提高非高温高压螺栓的重视程度。各电厂提高非高温高压螺栓的重视程度,重点做好重要设备紧固螺栓的检查,如伺服阀螺栓,在螺栓选用及使用时,一是根据设备运行工况,选用高强度、韧性及抗疲劳性能较好的螺栓,最好选用高于使用条件一个等级的螺栓,二是对重要设备的螺栓进行统计梳理,DL/T439－2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》中,只是对工作温度在400℃以上螺栓的检验和处理做出了规定,对使用温度低但非常重要的螺栓未做要求,建议各火力发电厂将重要设备螺栓检测纳入金属检测内容并定期检测；三是在螺栓使用过程中严格按检修工艺执行,特别是严格控制好螺栓紧固力矩,防止损坏螺栓。

(4)做好金属监督人员的管理。为有效开展螺栓金属监督工作,建议各火力发电厂设立金属监督专责人,人员数量满足现场要求,并加强对人员的技术培训,确保各项检测结果真实、准确；同时配备满足检验要求的设备,对设备定期检测,确保设备的可靠性。

四、结束语

随着设备服役年限的增长及设备使用条件的变化,螺栓损坏问题逐渐突出,螺栓损坏后会造成紧固件密封失效,影响设备安全运行,如发生在设备内部,还会造成设备损坏,因此开展螺栓金属监督工作、对螺栓损坏原因进行分析研究非常必要,提前检测螺栓存在的问题,提前预防、处理,可以消除存在的隐患,有效保障设备、机组的安全运行。本文重点介绍了螺栓损坏原因、螺栓检测常用方法及存在的问题,并提出了改进措施。上述总结还存在不足,需要在以后的工作中加强对螺栓金属监督工作的研究,不断提高设备的可靠性,减少事故发生率。