關(guān)于核級(jí)緊固件的性能要求概述

國(guó)核工程有限公司 張曉杰

關(guān)于核級(jí)緊固件的性能要求概述

國(guó)核工程有限公司 張曉杰

緊固件在核電廠安全系統(tǒng)和設(shè)備中大量使用，其質(zhì)量與性能對(duì)核電廠安全系統(tǒng)和設(shè)備執(zhí)行核安全功能有著重要作用。文章將總結(jié)歸納各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中關(guān)于緊固件性能的要求，為加強(qiáng)緊固件的質(zhì)量管理提供指導(dǎo)和幫助。

核級(jí)緊固件；性能；RCCM；ASME；ASTM

緊固件在核電廠安全系統(tǒng)和設(shè)備中大量使用，承擔(dān)了承壓密封、部件連接和支承固定等功能，其質(zhì)量與性能對(duì)核電廠安全系統(tǒng)和設(shè)備執(zhí)行核安全功能有著重要作用。然而在核電廠建設(shè)和設(shè)備制造監(jiān)管過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，緊固件的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造、安裝、驗(yàn)收等方面存在薄弱環(huán)節(jié)，必須加以高度重視，切實(shí)采取有效措施進(jìn)行改進(jìn)和完善。2016年8月17日，國(guó)家核安全局先后發(fā)布了國(guó)核安發(fā)[2016]195號(hào)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)核電廠緊固件等大宗材料質(zhì)量管理的通知》，國(guó)核安發(fā)[2016]284號(hào)《關(guān)于開(kāi)展核電廠緊固件核查工作的通知》，要求進(jìn)一步加強(qiáng)核電廠緊固件質(zhì)量管理。本文將總結(jié)歸納各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中關(guān)于緊固件性能的要求，為加強(qiáng)緊固件的質(zhì)量管理提供指導(dǎo)和幫助。

1 國(guó)家核安全局要求

[2016]195號(hào)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)核電廠緊固件等大宗材料質(zhì)量管理的通知》對(duì)緊固件等大宗材料質(zhì)量管理提出了進(jìn)一步要求，涉及設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造、安裝及驗(yàn)收等方面。主要要求有：①安全重要緊固件及其附件的設(shè)計(jì)、制造和安裝等活動(dòng)，均應(yīng)按HAF003及相關(guān)導(dǎo)則建立并實(shí)施質(zhì)保體系。②在安全分析報(bào)告中增加對(duì)緊固件的相關(guān)描述。③設(shè)計(jì)單位應(yīng)按緊固件的規(guī)范分級(jí)和質(zhì)保等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)并提出明確的設(shè)計(jì)要求。④應(yīng)對(duì)緊固件制造單位進(jìn)行合格供方評(píng)價(jià)和監(jiān)察，并加強(qiáng)制造過(guò)程的質(zhì)量管理和控制。⑤緊固件使用前應(yīng)開(kāi)展入廠（場(chǎng)）復(fù)驗(yàn)工作，未進(jìn)行復(fù)驗(yàn)或復(fù)驗(yàn)不合格批次的緊固件不得使用。⑥如緊固件失效，應(yīng)進(jìn)行失效分析。

[2016]195號(hào)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)核電廠緊固件等大宗材料質(zhì)量管理的通知》的附件還給出了核電廠緊固件入廠（場(chǎng)）復(fù)驗(yàn)指南，要求復(fù)驗(yàn)單位是依法通過(guò)計(jì)量認(rèn)證和國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)認(rèn)定，獨(dú)立于采購(gòu)單位和制造單位的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)。復(fù)驗(yàn)檢驗(yàn)項(xiàng)目和抽樣數(shù)量由設(shè)計(jì)單位根據(jù)緊固件的分類及規(guī)范分級(jí)在緊固件采購(gòu)技術(shù)條件中確定。并對(duì)復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目和抽樣數(shù)量提出了要求。抽樣水平是根據(jù)ASTM F1470-12《緊固件規(guī)定的機(jī)械性能和性能檢驗(yàn)的抽樣標(biāo)準(zhǔn)方法》規(guī)定結(jié)合國(guó)內(nèi)核電實(shí)踐形成的試驗(yàn)項(xiàng)目、抽樣水平和抽樣數(shù)量。復(fù)驗(yàn)指南參照國(guó)標(biāo)GB/T 3098-2010規(guī)定。

表1 試驗(yàn)的螺栓材料所要求的Cv值

表2 試驗(yàn)的螺栓材料所要求的Cv值

2 RCCM規(guī)范要求

RCCM規(guī)范中緊固件相關(guān)的要求主要有M5110、M5140和M5150。M5110和M5150分別規(guī)定了用于制造1、2、3級(jí)設(shè)備中螺栓和驅(qū)動(dòng)桿棒材的采購(gòu)規(guī)范和用于制造S1、S2級(jí)軸、拉桿和支撐螺栓棒材的采購(gòu)規(guī)范。M5140規(guī)定了壓水堆部件中的1、2、3級(jí)螺栓、螺釘、螺桿及螺母的采購(gòu)規(guī)范。

2.1 M5110制品采購(gòu)規(guī)范用于制造1、2、3級(jí)設(shè)備中螺栓和驅(qū)動(dòng)桿的軋制或鍛造棒材

M5110規(guī)定了制作螺栓和螺桿用棒材的冶煉工藝，化學(xué)成分分析，制造、力學(xué)性能、表面檢測(cè)、體積檢測(cè)、不可接受區(qū)的清理和修補(bǔ)、尺寸檢查、標(biāo)識(shí)等多方面的內(nèi)容。力學(xué)性能部分規(guī)定了硬度、拉伸和沖擊試驗(yàn)的取樣方法，試驗(yàn)方法，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)驗(yàn)，重新熱處理等[1]。

試料應(yīng)取自棒材的延長(zhǎng)部分。對(duì)于非加工硬化的棒材，在每批中取4%（至少為2根）的棒材進(jìn)行試驗(yàn)，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(duì)于經(jīng)加工硬化的奧氏體不銹鋼棒材，若已逐根進(jìn)行冷加工，則試驗(yàn)在每根棒上進(jìn)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(yàn)在該批的一根棒材上進(jìn)行。 RCCM中的所謂批是指來(lái)自同一熔煉爐號(hào)、經(jīng)相同制造過(guò)程、同爐熱處理（在使用連續(xù)爐的情況下）或經(jīng)過(guò)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(yīng)測(cè)硬度值。應(yīng)對(duì)每個(gè)試料進(jìn)行1組力學(xué)性能試驗(yàn)，包括室溫拉伸和高溫拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)每組3個(gè)試樣。按MC1000進(jìn)行硬度、沖擊和拉伸試驗(yàn)，如果試驗(yàn)結(jié)果不滿足，可進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。允許2次重新熱處理。

M5110附件II列出了按照級(jí)別和直徑對(duì)制作螺栓和螺桿用棒材進(jìn)行的檢測(cè)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(hào)不銹鋼等的冶煉工藝，化學(xué)成分要求、熱處理、力學(xué)性能指標(biāo)。

2.2 M5150規(guī)定了用于制造S1、S2級(jí)軸、拉桿和支撐螺栓的軋制或鍛造棒材的冶煉工藝、化學(xué)成分要求、制造、力學(xué)性能、表面檢測(cè)、體積檢測(cè)、不可接受區(qū)的清理和修補(bǔ)、尺寸檢查、標(biāo)識(shí)等多方面的內(nèi)容。力學(xué)性能部分規(guī)定了硬度、拉伸和沖擊試驗(yàn)的取樣方法，試驗(yàn)方法，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)驗(yàn)，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(yàn)值要求

每批的每根棒材都要測(cè)定硬度值。每根棒材進(jìn)行硬度測(cè)量后，在每批中取4%（至少為2根）的棒材進(jìn)行試驗(yàn)，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(yīng)該在截取的每一根試料上進(jìn)行1個(gè)試樣的室溫拉伸試驗(yàn)，對(duì)于φ≥25mm的棒材，還需做1次0℃的KV（3個(gè)試樣）沖擊試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法按MC1000。試驗(yàn)結(jié)果不滿足，可進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。允許2次重新熱處理。

M5150附件I列出了按照級(jí)別和直徑對(duì)棒材進(jìn)行的檢測(cè)目錄。附表II-III分別列出了碳鋼、合金鋼的冶煉工藝，化學(xué)成分要求、熱處理、力學(xué)性能指標(biāo)。

2.3 M5140制品采購(gòu)技術(shù)規(guī)范壓水堆部件中的1、2、3級(jí)螺栓、螺釘、螺桿及螺母

M5140規(guī)定了壓水堆部件中的123級(jí)螺栓、螺釘、螺桿及螺母的制造、化學(xué)成分要求、交貨熱處理狀態(tài)、力學(xué)性能、表面檢測(cè)、體積檢測(cè)、不可接受區(qū)的清理和修補(bǔ)、尺寸檢查、標(biāo)識(shí)等多方面的內(nèi)容。力學(xué)性能部分規(guī)定了硬度、拉伸和沖擊試驗(yàn)的取樣方法，試驗(yàn)方法，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)驗(yàn)，重新熱處理等[3]。

對(duì)螺釘、螺栓和螺母，如果棒材以熱處理狀態(tài)交貨且制造后不再作熱處理，則不要求驗(yàn)證其力學(xué)性能。若在制造后進(jìn)行熱處理，則供貨商應(yīng)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。測(cè)定的性能指標(biāo)值應(yīng)符合棒材采購(gòu)技術(shù)規(guī)范中針對(duì)所用鋼種所規(guī)定的要求值。試驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)量如下：

螺母

應(yīng)對(duì)各批的每根棒材作硬度試驗(yàn)。

當(dāng)設(shè)備規(guī)格書(shū)有規(guī)定時(shí)，應(yīng)從制造螺母的每批棒材中隨機(jī)選取鋼坯截取試樣來(lái)測(cè)定斷面收縮率和伸長(zhǎng)率。此鋼坯應(yīng)與螺母一起經(jīng)過(guò)同爐熱處理。

螺釘、螺栓和螺桿

a)每批試驗(yàn)的數(shù)目

為檢測(cè)每批棒材的均勻性，每批的每根棒材都應(yīng)測(cè)定硬度值。一般允許30HB的偏差

每批試驗(yàn)數(shù)目按棒材數(shù)目作如下規(guī)定：每批棒材數(shù)量小于等于500，2組試驗(yàn)，每批棒材數(shù)量大于500，4組試驗(yàn)。

b)需做的試樣

除在每根棒材上做硬度試驗(yàn)外，每組試驗(yàn)還應(yīng)包括

——1個(gè)室溫拉伸試驗(yàn)；

——如果涉及溫度足夠高，以致應(yīng)用此溫度下的抗拉強(qiáng)度來(lái)確定棒材尺寸時(shí)，則需做1個(gè)350℃高溫拉伸試驗(yàn)；

——對(duì)φ≥15mm的產(chǎn)品做1組沖擊試驗(yàn)，規(guī)定如下：

當(dāng)室溫拉伸試驗(yàn)中的A%小于45%時(shí)，對(duì)奧氏體不銹鋼棒材在室溫條件下的KV（3個(gè)試樣）沖擊試驗(yàn)。

對(duì)碳鋼、低合金鋼和馬氏體不銹鋼棒材，在0℃時(shí)做KV（3個(gè)試樣）沖擊試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法按MC1000。試驗(yàn)結(jié)果不滿足，可進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。允許1次重新熱處理。

3 ASME和ASTM規(guī)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(guān)于螺母或螺栓用材料的規(guī)格要求，在第II卷材料篇相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)做夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)。CC-2521.1規(guī)定了沖擊試驗(yàn)的材料范圍，CC-2523.1， CC-2524.3，CC-2525.4，CC-2527.2分別是對(duì)螺栓連接材料沖擊試驗(yàn)取樣、沖擊試驗(yàn)要求及驗(yàn)收準(zhǔn)則、試驗(yàn)的次數(shù)、復(fù)試等相關(guān)要求。試驗(yàn)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(jìn)行。在金屬最低工作溫度下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)測(cè)定橫向膨脹量和吸收能量值，三個(gè)試樣均應(yīng)符合表1的要求。在低于最低金屬工作溫度30℉（17℃）或更低時(shí)，應(yīng)測(cè)量橫向膨脹和吸收能量，所有三個(gè)試樣應(yīng)滿足表2中的要求。

ASME III NB-2000, NC-2000, ND-2000提出了對(duì)螺栓連接用材料規(guī)格、性能試驗(yàn)試樣或試件的制備、要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的范圍、沖擊試驗(yàn)取樣、沖擊試驗(yàn)要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)次數(shù)、檢測(cè)及修補(bǔ)等方面的要求。

對(duì)于螺栓連接件材料包括雙頭螺栓、螺母和螺栓，三個(gè)CV試樣的試驗(yàn)溫度應(yīng)不高于螺栓預(yù)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(gè)試樣都應(yīng)滿足表3的要求，ND-2333要求三個(gè)試樣都應(yīng)滿足表4的要求。

3.2 ASTM中的要求

《ASTM F1470-12規(guī)定機(jī)械特性和性能檢驗(yàn)用緊固件抽樣指南》規(guī)定了抽樣方法以確定緊固件的機(jī)械和物理性能、涂裝等質(zhì)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(duì)于不同的性能總共有ABCD四級(jí)抽樣水平，A最嚴(yán)格，A到D依次變松。detection process方案的大部分檢查項(xiàng)均比prevention process高一級(jí)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(mǎi)方或使用方的接收檢查方案。如果制造方的質(zhì)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(jìn)行檢查和試驗(yàn)，或購(gòu)買(mǎi)方已指定抽樣方案，否則應(yīng)采取detection process抽樣方案。

4 國(guó)標(biāo)要求

《GB/T3098.1-2010緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》規(guī)定了由碳鋼或合金鋼制造的、在環(huán)境溫度為10℃～35℃條件下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，螺栓、螺釘和螺柱的機(jī)械和物理性能[6]。GB/T3098.1適用于粗牙螺紋M1.6～M39，細(xì)牙螺紋M8*1～M39*3。GB/T3098.1規(guī)定了各性能等級(jí)的緊固件用材料的化學(xué)成分極限和最低回火溫度，各性能等級(jí)的螺栓、螺釘和螺柱的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、保證應(yīng)力、斷后延長(zhǎng)率 、斷面收縮率、頭部堅(jiān)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(jī)械性能。還規(guī)定了各種試驗(yàn)方法及其適用性。

5 總結(jié)

RCCM在相關(guān)的制品采購(gòu)規(guī)范中規(guī)定了不同等級(jí)緊固件的性能要求，包括及試驗(yàn)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等。ASME規(guī)范中CC-2000，NB-2000，NC-2000，ND-2000分別規(guī)定了不同等級(jí)緊固件斷裂韌性要求，包括試驗(yàn)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等，在具體的材料章節(jié)有關(guān)于緊固件用材料的各項(xiàng)性能要求。ASTM F1470-12給出了緊固件性能檢驗(yàn)的抽樣指南，主要用于緊固件性能的復(fù)驗(yàn)。GB/T3098.1-2010則主要注重于對(duì)螺栓、螺釘和螺柱等緊固件成品性能檢驗(yàn)要求和試驗(yàn)方法。

[1]RCCM M5110, 制品采購(gòu)規(guī)范用于制造1、2、3級(jí)設(shè)備中螺栓和驅(qū)動(dòng)桿的軋制或鍛造棒材[S].2002.

[2]RCCM M5150, 制品采購(gòu)技術(shù)規(guī)范 用于制造S1、S2級(jí)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(gòu)技術(shù)規(guī)范 壓水堆部件中的1、2、3級(jí)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(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.