核电厂低压进汽导管螺栓断裂原因分析

张金礼，李开盈，张精干

（1.中国核电工程有限公司，浙江嘉兴 314300；2.中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

某核电厂低压进汽联通管和再热汽门布置如图1 所示。低压进汽导管是每台低压缸的进汽通道，联通汽水分离再热器（MSR）和低压缸，两台MSR 再热后的蒸汽经联通管汇流后进入低压缸内做功。联通管工作压力为低压缸进汽压力0.978 MPa，工作温度为额定蒸汽温度265.2 ℃。联通管上布置12 台再热调门和再热主汽门，当汽机跳闸后动作，起蒸汽截流和超速保护功能。

图1 联通管和再热汽门布置

联通管和再热汽门法兰单片设计螺栓44 颗，单机组装机量44×6=264 颗；再热门法兰单片设计螺栓44 颗，六角头螺栓单机组装机量44×2×12=1056 颗。

螺栓型式为六角头螺栓，规格M24×2-6g，材料5Cr2MoVA-Ⅱ，强度等级735；螺母型式为六角螺母，规格M24×2-6H，材料25Cr2MoVA-Ⅱ，强度等级590。

1 缺陷描述

机组大修期间，因检修工作需要执行3 台低压缸进汽联通管以及11 台再热汽门的拆装，期间发生联通管和再热汽门法兰螺栓大面积咬死、无法正常拆卸现象。

检修工作共涉及1232 颗螺栓的拆卸，现场首先采用敲击扳手人工拆卸的方法进行拆除，经现场实操，工作进展极慢、效率极低，4 h 内完成了9 颗螺栓的拆卸工作，其中2 颗螺栓咬死无法拆除。后改用液压扳手拆卸，螺栓咬死率大幅度升高，经统计,发生咬死的螺栓共计1000 余颗，占比约80%。

螺栓、螺母等紧固件属于检修工作的B 类备件，即非必换件。螺栓、螺母的设计和选型应满足足够的强度，提供足够的紧固力矩。正常螺栓、螺母等紧固件应能够自由拆装，并重复使用。

2 原因分析

2.1 检修缺陷情况统计

对检修过程中螺栓损伤情况进行统计如下：

（1）3 号机前一次大修期间执行3 号低压缸全面解体检查，拆卸3 号低压缸联通管，涉及螺栓88 颗，咬死更换79 颗，咬死比例90%。

（2）4 号机前一次大修期间执行3 号低压缸全面解体检查，拆卸3 号低压缸联通管，涉及螺栓88 颗，咬死更换80 颗，咬死比例91%。

2.2 螺栓材质和力学分析

从失效的螺栓中随机选取断裂螺栓3 颗，完整螺栓1 颗、螺母3 颗，分析如下；

（1）宏观检查。螺栓断裂位置位于与螺母啮合的第一个螺牙的牙底附近，断口有扭转塑性变形特征，近断口螺纹有较严重的螺纹变形和材料脱落，螺栓螺纹缺损比螺母更为严重；螺栓表面呈红褐色，有明显的浮锈（图2）。

图2 螺栓螺母断口形貌

（2）化学成分分析。利用电感耦合等离子体发射光谱仪和C、S 分析仪进行化学成分分析，分析结果和B/HJ 416—2004 和GB/T 3077—1999 的成分要求进行对比，螺栓、螺母的化学成分均满足标准对材质的成分的相关要求（表1）。

表1 螺栓螺母化学成分分析结果 wt%

（3）硬度测试。螺栓、螺母的设计材料强度等级分别是735和590，试样表面经金相砂纸磨光，并进行抛光处理，采用台式布氏硬度计测试，测试发现螺母的硬度值略高于螺栓，且高于B/HJ 416—2004 标准要求的上限值。

标准：螺栓（735）强度等级269～302 HB/螺母（590）强度等级241～277 HB。

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

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

（4）力学性能测试：对螺栓取样进行室温拉伸试验和室温冲击试验，拉伸试样采取直径10 mm 的圆棒状标准拉伸试棒，在精密电子万能材料试验机上进行拉伸性能测试，依据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》。采用冲击试验机对送检螺栓取样进行室温冲击试验，依据GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，螺栓的力学性能数值均满足B/HJ 416—2004 中材料的力学性能指标（表2）。

表2 螺栓力学性能测试结果

（5）金相和夹杂检验。在金相显微镜下对螺栓螺母进行金相和非金属夹杂检验，参照GB/T 10561—2005，用A 法检验整个试样抛光面进行夹杂物评级：螺栓、螺母金相组织主要由回火索氏体、少量回火马氏体和少量铁素体组成，为正常组织，平均晶粒度均在5 级以上，符合企业标准B/HJ 416—2004 平均晶粒度不粗于4 级的规定；非金属夹杂在正常范围内。

综上，螺栓、螺母材料的化学成分、金相组织、力学性能等未见明显异常，螺母材料硬度高于螺栓，且高于相关企业标准。

2.3 螺栓受力分析

螺栓最大拧紧力矩计算：螺栓材料的屈服极限σs=735 MPa，螺栓公称直径d=24 mm，螺牙高度p=3 mm；螺栓横截面积S=1/4π（d-0.9382p）=352.3 mm；螺栓最大预紧力F=σsS=258 940 N；拧紧力矩系数K 取0.18，则螺栓最大拧紧力矩T=KdF=1118.6 N·m。

根据低压进汽管的拆装维修规程，螺栓安装紧固力矩800 N·m，低于其最大允许拧紧力矩。但现场采用液压扳手紧固和拆卸螺栓过程中，液压扳手需以相近的导汽管外壁作为支靠点，被紧固的螺母除承受扭矩作用外还受偏载作用力影响，螺栓和螺母的螺纹在即将紧固完成时承受最大的应力作用，在此临界状态下螺母共受3 个力作用：①扭矩800 N·m；②偏载作用力，螺栓中心线与液压扳手支靠点的距离是130 mm，扭矩800 N·m，从而得出偏载力6154 N；③螺栓伸长获得的预紧力，取扭矩系数为0.18，可得螺栓载荷约为180 kN。

针对以上受力建模进行有限元分析（图3）：对左侧螺栓加力，右侧不做加力处理，仅需看左侧即可。螺母受力载荷为：D—800 N·m扭矩、E—6154 N 偏载力、A—180 kN 预紧力。

图3 螺栓应力模型

螺栓等效应力云图显示：螺栓承受最大应力为997.37 MPa，应力最大点处于螺栓与螺母啮合第一扣螺纹处，远超过材料屈服强度值785 MPa，且区域较大，有很大可能是造成螺纹形变乃至咬牙的重要原因。

螺母等效应力云图显示：六角螺母承受的最大应力为740.12 MPa，位于与螺栓啮合的第一扣螺纹处，也已经远超其屈服强度590 MPa，导致安全余量不足，多次使用后有螺纹形变的可能。

2.4 其他可能原因

（1）在螺栓、螺母的安装紧固过程中，螺牙旋转配合情况受多重因素影响，包括螺母紧固受力方向、螺栓紧固法兰面的表面情况、螺牙表面清洁情况等，任何一种因素都可能导致螺栓、螺母的螺牙配合无法按照理想状态进行，从而产生螺牙磨损和损伤的可能，带来螺栓咬死隐患。

（2）现场检查联通管法兰面表面，因螺栓多次紧固和拆装，法兰表面已产生明显的挤压凹槽。因此存在螺栓紧固过程中因螺牙配合不良，咬牙、损伤导致咬死的可能。

（3）联通管法兰和再热门法兰螺栓在接近280 ℃的高温条件下长期运行，存在一定的高温氧化、锈蚀现象，在断裂螺栓的宏观检查过程中发现螺栓表面呈红褐色，有明显的浮锈。螺纹氧化、锈蚀会导致螺牙间配合间隙减小，给螺栓拆卸带来一定影响。一般情况下，螺栓的拆卸应通过合适的力矩反复松紧并敲击、润滑来实现，现场利用液压扳手直接以2000 N·m 力矩拆松螺栓，一方面可能因力矩过大导致螺牙屈服变形，另一方面也可能破坏螺栓表面的氧化、锈蚀层，造成氧化、锈蚀产物在螺纹间发生积聚，进而导致螺栓完全卡死无法拆卸。

综合上述，现行螺栓的安装紧固方式造成紧固过程中螺栓、螺母受力超出其屈服极限，引起螺牙屈服变形是螺栓咬死的主要原因；另外，螺栓紧固的法兰表面情况不佳、螺栓拆卸工艺不合理等也对螺栓咬死有一定的影响。

3 处置策略及可行性分析

（1）螺栓、螺母规格变更，选用更大尺寸、强度等级更高的螺栓和螺母，缓解螺栓咬死问题。但由于再热汽门阀体法兰设计已固化，此方案仅适用于联通管法兰螺栓，针对再热门法兰螺栓并不适用，且需要对联通管法兰进行整体设计变更以满足更大规格螺栓的安装空间需求。

（2）优化螺栓安装和拆卸工艺，禁止使用液压工具安装和拆卸螺栓。通过力矩扳手安装螺栓可避免偏载作用力的影响，降低螺栓安装应力，能在一定程度上缓解螺栓屈服变形进而降低螺栓咬死概率。选用此方案会对现场螺栓的安装和拆卸时间造成一定影响，影响检修工作现场进度。

（3）在不改变螺栓规格的情况下，选用新型螺母对现有螺母进行替代更换：①选用洛帝牢多顶推超级螺母；②选用凯特克机械拉伸螺母。此两种螺母的设计都能有效避免螺栓紧固过程的偏载力，降低螺栓安装应力，减小螺栓变形咬死的可能。但选用此方案的成本投入较高，其中洛帝牢螺母单价约4000 元，凯特克机械拉伸螺母单价约3000 元，现有螺栓螺母一套单价约400 元，按照检修周期计算，分别需45 年、34 年方可收回螺母采购成本。

（4）维持现有螺栓、螺母规格型号以及紧固拆卸方式不变，将螺栓、螺母按照必换件进行管理。此方案下螺栓咬死问题无法有效避免，咬死量大，需采用破坏性方式拆卸螺栓，备件消耗量大。

4 结语

通过对核电厂因检修工作需要执行低压缸进汽联通管以及再热汽门的拆装，期间发生联通管和再热汽门法兰螺栓大面积咬死、无法正常拆卸现象进行原因分析，总结处置策略。经过综合考量投入和产出、时间窗口以及成本等各方面因素，选用合适的处置策略，最终将联通管和再热汽门法兰螺栓、螺母做必换件管理，执行定期备件更换，将维修程序文件进行改善和升版。通过分析总结，为其他核电机组类似缺陷源问题分析提供借鉴和参考。