抽水蓄能電站頂蓋螺栓的設(shè)計及質(zhì)量控制

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

0 引言

螺栓連接是機械結(jié)構(gòu)中最常見的連接方式，具有安裝方便、可重復(fù)使用的優(yōu)點。抽水蓄能電站的頂蓋螺栓對于機組的安全運行起至關(guān)重要的作用，螺栓的斷裂容易引起災(zāi)難性事故[1，2]。根據(jù)統(tǒng)計分析，在靜載荷下螺栓連接是很少發(fā)生破壞的，只有在嚴(yán)重過載的情況下才會發(fā)生。就破壞性質(zhì)而言，約有90%的螺栓屬于疲勞破壞[3]。疲勞前夕都不會出現(xiàn)明顯的宏觀塑性變形，不易被人們所察覺到，故危險性較大。對螺栓靜強度設(shè)計外還應(yīng)進行疲勞設(shè)計，保證螺栓的設(shè)計可靠對于頂蓋螺栓連接安全至關(guān)重要。

圖1為某抽水蓄能電站斷裂后的螺栓的斷口形貌[4]，螺栓的斷口均垂直于軸向。斷口為典型的疲勞斷口形貌[5，6]，斷口分為兩部分：平坦的邊緣開裂區(qū)和表面高度起伏較大的后斷區(qū)，兩斷口顏色差異較大、存在清晰的分界線。前者斷口呈黑色，表面比較細密平滑，沿環(huán)向狹長分布，后者呈紅褐色，斷口面積很大，約占總斷口的90%以上。斷口花樣呈放射狀，為快速擴展的后斷區(qū)。推斷裂紋由表面向內(nèi)疲勞擴展較短的距離后，停滯了較長的時間，而后突然在較大的應(yīng)力作用下發(fā)生快速的斷裂。

圖1 螺栓疲勞斷口形貌Fig.1 The fatigue crack morphology

導(dǎo)致疲勞斷裂的應(yīng)力水平較低，疲勞極限低于材料的抗拉強度，甚至低于材料的屈服強度，且經(jīng)過了多次的應(yīng)力循環(huán)，通常是經(jīng)過了數(shù)千乃至數(shù)百萬次后才破壞的。疲勞斷裂之后，不會出現(xiàn)顯著的塑性變形，疲勞源通常起源于構(gòu)件或連接的高應(yīng)力集中區(qū)，或者是表面缺陷處，如夾雜、裂紋、突變、軟點以及刻痕等處。螺栓加工過程中的缺陷對于螺栓的壽命有至關(guān)重要的影響，對于加工后的螺栓及在役螺栓的缺陷的及時發(fā)現(xiàn)也顯得極為重要。

1 螺栓的設(shè)計

螺栓強度設(shè)計時除了用最大載荷進行靜強度計算外，還須進行疲勞強度的計算，以保證該零部件既不會在最大載荷下發(fā)生靜載荷斷裂，也不會在循環(huán)載荷下發(fā)生疲勞破壞。

在螺栓疲勞設(shè)計時，對于工況較為簡單的疲勞設(shè)計，一般利用疲勞總壽命法進行疲勞設(shè)計和疲勞壽命預(yù)測，具體方法分為應(yīng)力—壽命法和應(yīng)變—壽命法兩類。應(yīng)力—壽命法是基于疲勞極限和S—N的概念的方法，由于S—N曲線是通過恒幅試驗測量的，對于變應(yīng)力幅的情況，因此一般用于無限疲勞壽命設(shè)計。對于變應(yīng)力幅的情況，則采用Miner的累積損傷法作為疲勞壽命的判據(jù)[7]。已經(jīng)完成的一些螺栓疲勞性能試驗結(jié)果為螺栓的疲勞設(shè)計提供了一定的參考[8-10]。

1.1 螺栓的級別和選材

鋼制螺栓分為3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9幾個級別，其中8.8級及以上的螺栓稱為高強螺栓。螺栓的性能等級由2部分?jǐn)?shù)字組成，小數(shù)點前和后的數(shù)字分別表示螺栓材料的公稱抗拉強度和屈強比。螺栓級別從高到低的屈強比越來越高，由0.6增加到0.8～0.9，即隨著螺栓等級的提高，螺栓在經(jīng)過塑性變形后會迅速斷裂。

除了塑性變形后會迅速斷裂的原因外，過高強度的螺栓材料疲勞破壞的表面缺口的應(yīng)力集中效應(yīng)明顯是導(dǎo)致疲勞斷裂的各種因素中最主要的因素之一。缺口產(chǎn)生的影響，最顯而易見的，是應(yīng)力集中由于缺口部分不能承受外力，這一部分外力要由缺口前方的部分材料來承擔(dān)，因而缺口根部的應(yīng)力最大，離開缺口根部，應(yīng)力逐漸減小，一直減小到某一恒定數(shù)值，這時缺口的影響便消失了。用應(yīng)力集中系數(shù)Kt來表示缺口產(chǎn)生的應(yīng)力集中影響。

SLmax為缺口根部的最大應(yīng)力，σn為凈截面上的名義應(yīng)力。在彈性范圍內(nèi)，Kt的數(shù)值決定于缺口的幾何形狀與尺寸。缺口的主要影響還不在于產(chǎn)生應(yīng)力集中，因為缺口根部的局部應(yīng)力一旦達到了材料的屈服強度，開始了塑性變形，便使高的彈性應(yīng)力緩和下來并限制到材料的屈服應(yīng)力水平。缺口的主要影響是缺口根部產(chǎn)生三向應(yīng)力狀態(tài)，使得材料屈服變形更困難，因而導(dǎo)致了材料的脆化。

零構(gòu)件的局部應(yīng)力集中對疲勞強度有顯著影響，但用理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt不足以描述其影響。應(yīng)力集中降低零件疲勞強度的作用一般用疲勞缺口系數(shù)Kf來描述，其定義為：

與理論應(yīng)力集中系數(shù)只與零構(gòu)件的幾何形狀有關(guān)不同，影響疲勞缺口系數(shù)Kf的因素很多，除了材料本身性能、載荷條件等疲勞強度影響因素外，Kf主要取決于理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt。利用理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt和疲勞缺口敏感系數(shù)q計算Kf：

其中q為缺口敏感系數(shù)，疲勞缺口敏感系數(shù)q是材料在循環(huán)載荷作用下對應(yīng)力集中敏感度的一種度量，變化范圍介于0和1之間。

疲勞缺口敏感系數(shù)q不是材料常數(shù)，它不僅取決于材料性質(zhì)，還與應(yīng)力梯度和缺口形狀等因素有關(guān)。許多學(xué)者對疲勞缺口敏感系數(shù)進行了試驗研究，最常用的疲勞缺口敏感系數(shù)公式和Peterson公式：

圖2 缺口敏感系數(shù)同缺口半徑的關(guān)系Fig.2 The relationship between notch sensitivity and radius

由圖2可見，缺口敏感系數(shù)q隨材料強度的增加而增加。高強度材料通常具有有限的變形能力，使裂紋尖端鈍化的能力小，因此高強度材料對缺口更加敏感。

疲勞破壞是由于構(gòu)件外部形狀尺寸的突變以及材料不均勻等原因，使構(gòu)件局部應(yīng)力特別高，在長期交變應(yīng)力作用下，材料有缺陷的部位，逐步形成細微裂紋；裂紋尖端處于三向拉應(yīng)力狀態(tài)，降低材料塑性，加速裂紋擴展；當(dāng)裂紋擴展到一定程度，構(gòu)件會沿被削弱的界面發(fā)生突然脆性斷裂。因此在螺栓選材時，除了考慮經(jīng)濟性能外，從安全使用的角度講，在結(jié)構(gòu)布置能滿足的條件下，盡量避免選用等級過高的螺栓。

1.2 預(yù)緊力和殘余預(yù)緊力

螺紋連接在安裝時都必須擰緊，使被連接件受到壓縮，同時螺栓受到拉伸，這種在螺栓承受工作載荷之前受到的力稱為預(yù)緊力[11]。預(yù)緊的目的是為了增強連接的可靠性、緊密性和剛性；提高連接的防松能力，防止受載后被連接件間出現(xiàn)間隙或發(fā)生相對位移；對于受變載荷的螺紋連接還可提高其疲勞強度。

軸向預(yù)緊力的大小從很大程度上決定了連接螺檢的疲勞壽命。預(yù)緊力大則動載荷影響小，預(yù)緊力小則動載荷影響大。結(jié)構(gòu)承載能力的下降，連接螺栓在載荷作用下會發(fā)生螺紋屈服、松脫、延遲斷裂，進而會使螺栓強度儲備降低，導(dǎo)致連接螺栓發(fā)生斷裂失效。預(yù)緊力過小，螺栓連接在載荷作用下會發(fā)生松動，使機構(gòu)不能正常連接和運轉(zhuǎn)。另外，連接螺栓的斷裂、松脫將改變結(jié)構(gòu)連接剛度連續(xù)性和一致性，改變結(jié)構(gòu)整體模態(tài)，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解體；此外，預(yù)緊力控制不均勻，將導(dǎo)接螺栓受力不均，個別連接螺栓超過設(shè)計載荷，導(dǎo)致連接螺栓組整體強度下降，結(jié)構(gòu)失效?？梢?，連接螺栓施加恰當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，對保證螺紋連接機構(gòu)的正常安全工作具有十分重要的意義。經(jīng)典的設(shè)計慣例是螺栓的預(yù)緊應(yīng)力一般可達材料屈服極限的50%～70%，對于合金鋼螺栓，按照材料屈服極限的50%～60%控制。這個范圍是基于螺栓的疲勞載荷以及防止螺栓松動考慮的。

頂蓋螺栓是受預(yù)緊力和工作載荷的緊螺栓連接，這種受力形式在緊螺栓連接中比較常見。這種連接擰緊后螺栓受預(yù)緊力F0，工作時還受到工作載荷F，螺栓和被連接件都是彈性體。由于在工作載荷F的影響下，螺栓長度發(fā)生變化，導(dǎo)致預(yù)緊力F0也隨之發(fā)生變化?？偟墓ぷ鬏d荷F2不等于工作載荷F與預(yù)緊力F0之和，即F2≠F+F0。

圖3 螺栓和被連接件的受力與變形(a)螺母未擰緊;(b)螺母已擰緊;(c)已承受工作載荷Fig.3 The stress deformation of bolt and fixture

圖3（a）表示螺母恰好擰到被連接表面。此時，螺栓未受到預(yù)緊力，螺栓的長度不變。圖3（b）表示螺母被擰緊，但未受到工作載荷。此時，螺栓與被連接件都受到預(yù)緊力F0的作用，其中螺栓受到拉伸的作用，其伸長量為λb，被連接件受到F0的壓縮作用，其壓縮量為λm。圖3（c）表示螺母被擰緊，并受到工作載荷F，當(dāng)螺栓承受工作載荷時，所受拉力由F0增加至F2，其伸長量增加Δλ，總的伸長量為λb+Δλ。與此同時，原來被壓縮的被連接件，因螺栓伸長而放松，其壓縮量也隨著減小。根據(jù)連接的變形協(xié)調(diào)條件，被連接件壓縮變形的減少量應(yīng)等于螺栓拉伸變形的增加量Δλ。總壓縮量為λm′=λm-Δλ。而被連接件的壓縮力由F0減小至F1。F1稱為殘余預(yù)緊力。

顯然，連接受載后，由于預(yù)緊力的變化，螺栓的總拉力F2并不等于預(yù)緊力F0與工作拉力F之和，而等于殘余預(yù)緊力F1與工作拉力F之和[12，13]：

為了保證連接的緊密性，防止連接受載后結(jié)合面產(chǎn)生縫隙，應(yīng)使F1＞0。推薦采用的F1為：對于有緊密性要求的連接，F(xiàn)1=（1.5～1.8）F；對于一般的連接，工作載荷穩(wěn)定時，F(xiàn)1=（0.2～0.6）F；工作載荷不穩(wěn)定時，F(xiàn)1=（0.6～1.0）F。

也就是說頂蓋螺栓連接是否緊密，是否漏水取決于殘余預(yù)緊力F1是否大于0，F(xiàn)1＞0，能夠緊密連接，否則不能緊密連接，頂蓋和座環(huán)之間容易漏水，這是螺栓設(shè)計時的一個重要參數(shù)。事實上，殘余預(yù)緊力F1同之前施加的預(yù)緊力F0以及施加工作載荷后的頂蓋和座環(huán)的回彈有直接的關(guān)系。也就是說，施加的是預(yù)緊力F0，在受到工作載荷F后，起作用的是殘余預(yù)緊力，因此需要建立預(yù)緊力和殘余預(yù)緊力的關(guān)系。

螺栓所承受的總拉力F2也可按照公式（5）計算：

1.3 螺栓的預(yù)緊安全系數(shù)及螺栓的靜載荷強度計算

按照GB/T 22581—2008《混流式水泵水輪機基本技術(shù)條件》中4.2.2.6的要求“當(dāng)要求預(yù)應(yīng)力時，螺栓、螺桿和連桿等零部件均應(yīng)進行預(yù)應(yīng)力處理，零部件的預(yù)應(yīng)力不得超過材料屈服強度7/8。螺栓的載荷不應(yīng)小于連接部分設(shè)計載荷的2倍”。

定義螺栓的載荷力同設(shè)計載荷的比值為預(yù)緊安全系數(shù)[14]，按照公式（6）計算：

由F2=F+F1，可知：

前已述及，對于有緊密性要求的連接，F(xiàn)1=（1.5～1.8）F；對于一般的連接，工作載荷穩(wěn)定時，F(xiàn)1=（0.2～0.6）F；工作載荷不穩(wěn)定時，F(xiàn)1=（0.6～1.0）F。當(dāng)F1=1.0×F時，與GB/T 22581—2008《混流式水泵水輪機基本技術(shù)條件》中4.2.2.6的要求一致。也就是說頂蓋螺栓的設(shè)計要求應(yīng)符合工作載荷不穩(wěn)定時對于預(yù)緊力的要求。

值得注意的是，這里所提的預(yù)緊安全系數(shù)完全是在螺栓設(shè)計時的一個概念，也就是說螺栓設(shè)計的時候應(yīng)遵循這個所謂的“預(yù)緊安全系數(shù)”的概念。也就是說，設(shè)計的螺栓應(yīng)能保證在設(shè)計工況下殘余預(yù)緊力能夠大于1倍的工作載荷。

螺栓在設(shè)計時需要考慮螺栓連接裝配時需要將螺母擰緊，在擰緊力矩的作用下，使螺栓處于預(yù)緊拉伸產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力與螺紋摩擦力矩扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下。計算時進行一定的簡化，可以只按拉伸強度計算，為了考慮扭轉(zhuǎn)的影響，將所受的拉伸應(yīng)力增大30%計算。

頂蓋螺栓設(shè)計時，先根據(jù)過渡過程計算的結(jié)果確定各種工況的軸向水推力，結(jié)合導(dǎo)水機構(gòu)的自重求出螺栓的工作拉力F，之后根據(jù)連接的工作要求的緊密型確定殘余預(yù)緊力F1，之后利用工作拉力和殘余預(yù)緊力計算螺栓的總拉力F2，此處確定總拉力的時候需用到預(yù)緊安全系數(shù)，即總拉力按照最小2倍的工作拉力確定。計算總拉力后即可進行螺栓強度的計算[15]。于是螺栓小徑的拉伸強度條件為：

式中σc——螺栓承受的應(yīng)力；

[σ]——螺栓材料的許用應(yīng)力；

d1——螺栓小徑。

在變載荷作用下，M30～M60的合金鋼螺栓材料的許用安全系數(shù)一般取n=1.2～1.5，則螺栓材料的許用應(yīng)力為：

式中σs——螺栓材料的屈服強度。

關(guān)于螺栓材料的許用安全系數(shù)，一般情況下可取1.2～1.5，GB/T 15468—2006《水輪機基本技術(shù)條件》中要求“特殊工況條件下采用經(jīng)典計算公式計算的工件的斷面應(yīng)力不大于材料屈服強的2/3”，ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中也有同樣的要求。因此，頂蓋螺栓的材料許用安全系數(shù)應(yīng)取1.5。

1.4 螺栓的疲勞校核

圖4 不穩(wěn)定變應(yīng)力在應(yīng)力—壽命曲線上的表示Fig.4 The unstable variable stress on the stress-life curve

式中N0—— 循環(huán)基數(shù)，對于鋼材，一般取N0=（1～10）×106；

m——材料常數(shù)，對于鋼材，一般取m=6～20；

σ-1——螺栓材料對稱循環(huán)拉壓疲勞極限。

由疲勞損傷累計理論可知[18]：

如果螺栓在不穩(wěn)定變應(yīng)力作用下未達到破壞，則：

疲勞強度計算時，一般用不穩(wěn)定變應(yīng)力計算安全系數(shù)來表征：

對于螺栓連接，S一般取1.2～2.0。

2 目前螺栓設(shè)計和安裝的幾個爭議點

螺栓設(shè)計的方法是通用的，水輪機相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22581—2008《 混流式水泵水輪機基本技術(shù)條件》、GB/T 15468—2006《水輪機基本技術(shù)條件》、GB/T 8564—2003《 水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)中雖然對水泵水輪機的螺栓載荷及應(yīng)力提出要求，但對其適用范圍、計算方法、取值依據(jù)等描述并不清晰明確，在實際應(yīng)用時，容易產(chǎn)生理解上的偏差和出入。即如何確定工作載荷、預(yù)緊力、殘余預(yù)緊力、總載荷。

究其原因，主要是沒有將設(shè)計階段及安裝階段設(shè)計的參數(shù)分清，在設(shè)計時需要用到工作載荷、殘余預(yù)緊力及總載荷，在安裝時要控制預(yù)緊力，通過預(yù)緊力的控制保證殘余預(yù)緊力的大小及預(yù)緊安全系數(shù)和材料安全系數(shù)。

2.1 工作載荷

對于水泵水輪機而言，工作工況包含正常運行工況、過渡過程工況及特殊工況。正常運行工況指每天啟機、運行、停機全過程中所經(jīng)歷的工況，過渡過程工況指水泵水輪機兩種不同工況之間的轉(zhuǎn)換、過渡工況，而特殊工況則指甩負荷、飛逸等工況。目前，通過過渡過程計算及現(xiàn)場實測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，甩負荷工況及水泵零流量工況時的軸向水推力較其他工況明顯偏大，且甩負荷工況時最大。螺栓設(shè)計時，應(yīng)取甩負荷工況的載荷作為工作載荷。

2.2 螺栓直徑計算時的總載荷

總載荷確定時，需根據(jù)連接結(jié)構(gòu)緊密性的要求確定殘余預(yù)緊力的大小，根據(jù)F2=F+F1確定總載荷的大小。GB/T 22581—2008《混流式水泵水輪機基本技術(shù)條件》中“螺栓的荷載不應(yīng)小于連接部分設(shè)計荷載的2倍”應(yīng)該解讀為“螺栓受工作載荷后，應(yīng)按照其荷載不應(yīng)小于連接部分設(shè)計荷載的2倍確定設(shè)計時的總載荷”。

2.3 預(yù)緊力的控制

螺栓安裝時，施加一定的預(yù)緊力，螺栓在受預(yù)緊力及工作載荷后，其總載荷為：

預(yù)緊力控制一般按照以下原則：

（1）合金鋼螺栓預(yù)緊應(yīng)力按照材料屈服極限的50%～60%控制。

（2）GB/T 8564—2003 《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》要求“預(yù)緊應(yīng)力不小于工作應(yīng)力的2倍”。

上述（1）是為了保證材料的安全性，即保證總載荷小于材料屈服強度2/3。（2）是為了保證預(yù)緊安全系數(shù)大于2，保證連接的緊密性。

3 螺栓的制造及無損檢測

3.1 螺栓的制造質(zhì)量控制

螺栓的坯料一般采用鍛造，之后進行性能熱處理，螺紋加工。鍛造過程中容易形成內(nèi)部的裂紋和白點，鍛造過程中應(yīng)該嚴(yán)格控制始鍛溫度和終鍛溫度，嚴(yán)格控制鍛造比，避免鍛造過程中缺陷的產(chǎn)生。

螺栓的性能也受到熱處理過程的直接影響，螺桿在淬火處理時未淬透，或者淬火后冷卻速度較慢，都可能造成組織差異，這樣將削弱螺桿的疲勞強度，降低螺栓的使用壽命。鍛造之后的調(diào)質(zhì)處理應(yīng)該嚴(yán)格控制熱處理工藝，淬火過程應(yīng)充分，同時應(yīng)避免冷卻過程控制不嚴(yán)格引起開裂等缺陷，回火過程中應(yīng)充分，保證馬氏體淬硬組織得到充分回火，提高韌性。

螺紋加工方式最為常見的是車螺紋和滾壓螺紋，其中車螺紋容易在加工過程中由于車削速度、刀頭震動、退刀不當(dāng)引起表面裂紋?？梢?，內(nèi)部缺陷一般是在螺紋加工之前形成，表面缺陷一般是在螺紋加工過程中形成。

3.2 螺栓無損檢測的方法

目前常用的無損檢測方式有射線、超聲、磁粉和滲透檢測，其中射線檢測主要檢查焊縫缺陷，超聲波（超聲檢測分為很多種，此處專指脈沖反射法）檢測主要適用于內(nèi)部缺陷檢測，磁粉檢測適用于近表面缺陷的檢測，滲透檢測適用于表面開口缺陷。螺栓檢測通常選用超聲、磁粉、滲透。

對于無損檢測的標(biāo)準(zhǔn)，各行業(yè)均有各自標(biāo)準(zhǔn)，例如一般結(jié)構(gòu)焊縫超聲檢測用GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術(shù)、檢測等級和評定》、射線用GB/T 3323—2005《金屬熔化焊焊接接頭檢驗照相》；對于鍋爐與壓力容器的檢測一般用 NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》，同前述標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別在于在缺陷判定時要嚴(yán)格許多，在NB/T 47013.4中，針對鋼板、鋼管、鍛件均有特定的檢測方法和缺陷判定標(biāo)準(zhǔn)。一般的零件均無特定的專用無損檢測標(biāo)準(zhǔn)，因為無損檢測的方法是通用的，操作和判定也是通用的，因此方法也是通用的。目前螺栓的專用無損檢測標(biāo)準(zhǔn)有DL/T 694《高溫緊固螺栓超聲波檢測技術(shù)導(dǎo)則》，適用于直徑不小于M32的高溫緊固螺栓的超聲檢測，其他緊固螺栓的超聲檢測也可參照執(zhí)行。螺栓磁粉和滲透檢測只能參照其他零件或者通用標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

前已述及，螺栓制造加工過程中容易形成內(nèi)部缺陷和外部缺陷。常用的無損檢測手段又各有其局限性。超聲檢測適用于內(nèi)部缺陷，但其最大的弊端是：

（1）受無損檢測人員的經(jīng)驗影響非常大，合理的檢測方法對于結(jié)果的影響很大。此外，由于每個螺紋都會形成反射波，不同的人對于結(jié)果的判斷也往往差別較大。

（2）需要一個掃查面移動探頭，對于直徑較小的螺栓無法進行超聲波檢測。

（3）對于裂縫小于1mm的微小裂紋缺陷，超聲波檢測很難發(fā)現(xiàn)。

磁粉檢測對鋼制螺栓的靈敏度高，操作方便，但有些螺紋根部的加工不圓滑或螺紋較小，會引起磁懸液在該處不流動，形成磁懸液大量堆集，影響判斷，應(yīng)采用熒光磁粉進行檢測。滲透檢測只能檢測表面的開口缺陷，局限性較大。

因此，結(jié)合螺栓的制造特點，應(yīng)在螺紋加工前對坯料進行超聲檢測，確保坯料無缺陷；螺紋加工后進行磁粉和滲透檢測，確保表面和近表面無缺陷。對于直徑大于M32的螺栓，在螺紋加工后也可再進行一次超聲波檢查，盡管看上去重復(fù)檢測，但這一項還是很有必要，因為DL/T 694—2012《高溫緊固螺栓超聲波檢測技術(shù)導(dǎo)則》是針對成品的螺栓進行超聲波無損檢測的要求，并無坯料無損檢測的要求。

3.3 螺栓無損檢測方法的驗收標(biāo)準(zhǔn)

對于直徑大于M32的螺栓，超聲檢測應(yīng)按照DL/T 694—2012《高溫緊固螺栓超聲波檢測技術(shù)導(dǎo)則》執(zhí)行，檢測主要采用小角度縱波斜探頭、縱波直探頭和橫波斜探頭，也可以采用爬波探頭和相控陣探頭做輔助方法檢測，合格標(biāo)準(zhǔn)為不允許有裂紋。

當(dāng)采用磁粉檢驗對螺紋進行檢測時，驗收標(biāo)準(zhǔn)需要按照以下執(zhí)行：

（1）不允許存在任何裂紋和白點；

（2）不允許橫向缺陷顯示；

（3）合格標(biāo)準(zhǔn)參照NB/T 47013.4Ⅰ級。

上 述（1）、（2） 條 是 NB/T 47013.4—2015中 9.1關(guān)于緊固件和軸類零件的規(guī)定，（3）是由于螺栓是緊固件，螺紋根部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，微裂紋的影響很大，因此按照Ⅰ級驗收（最嚴(yán)格的）。

當(dāng)采用滲透檢驗對螺紋進行檢測時，合格標(biāo)準(zhǔn)參照NB/T 47013.5《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》 Ⅰ級。同樣是由于螺紋根部微裂紋的影響很大，因此按照Ⅰ級驗收。

4 結(jié)論

（1）頂蓋螺栓設(shè)計選材時，除了考慮經(jīng)濟性能外，從安全使用的角度講，在結(jié)構(gòu)布置能滿足的條件下，盡量避免選用等級過高的螺栓。

（2）螺栓設(shè)計時應(yīng)根據(jù)連接的緊密性，確定殘余預(yù)緊力需大于工作載荷的1倍，頂蓋螺栓的材料許用安全系數(shù)應(yīng)取1.5，一般利用Miner的累積損傷法則對頂蓋螺栓進行疲勞校核。

（3）螺栓設(shè)計時，應(yīng)取甩負荷工況的載荷作為工作載荷，總載荷的確定不應(yīng)小于連接部分設(shè)計荷載的2倍。合金鋼螺栓安裝時，預(yù)緊應(yīng)力不小于工作應(yīng)力的2倍，同時不超過材料屈服極限的50%～60%。

（4）應(yīng)嚴(yán)格控制螺栓坯料的鍛造過程，避免鍛造缺陷，控制熱處理過程保證力學(xué)性能。在螺紋加工前對坯料進行超聲檢測，確保坯料無缺陷；螺紋加工后進行磁粉和滲透檢測，確保表面和近表面無缺陷。對于直徑大于M32的螺栓，在螺紋加工后也可再進行一次超聲檢測。

[1] 王國秉.關(guān)于俄羅斯舒申斯克水電站事故的思考[J].山西水利科技，2010（2）：1-5，15.WANG Guobing. Some thoughts about the Sayano-Shushenskaya hydropower plant incident in russia[J].Shanxi Hydro Technical，2010（2）：1-5，15.

[2] 楊建東，趙琨，李玲，等. 淺析俄羅斯薩揚-舒申斯克水電站7 號和9 號機組事故原因[J].水利發(fā)電學(xué)報，2011，30（4）：226-234.YANG Jiandong，ZHAO Kun，LI ling，et al. Analysis on the causes of units 7 and 9 accidents at Sayano-Shushenskaya hydropower station [J]. Journal of Hydroelectric Engineering，2011，30（4）：226-234.

[3] 石虹. 高強度螺栓失效若干因素的研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2012.SHI Hong. Research of High strength bolt failure caused by several factors[D].Shenyang ：Northeastern University，2012.

[4] 趙強，曹佳麗，丁景煥.35CrMo鋼螺栓斷裂原因分析[J].上海金屬，2016，39（6）：71-75.ZHAO Qiang，CAO Jiali，DING Jinghuan. Analysis on Fracture of 35CrMo Steel Bolt[J].Shanghai Metals，2016，39（6）：71-75.

[5] 廖景娛. 金屬構(gòu)件失效分析[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.LIAO Jingyu. Failure analysis of metal components [M]. Beijing ：Chemical Industry Press，2003.

[6] 鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.ZHONG Qunpeng，ZHAO Zihua. Fractography [M]. Beijing ：Higher Education Press，2006.

[7] 李莉. 機械零件疲勞強度若干問題的研究[D]. 沈陽：東北大學(xué)，2009.LI Li. Research on fatigue strength of mechanical components[D].Shenyang：Northeastern University，2009.

[8] 張淵.在役螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)M39高強度螺栓的疲勞分析與試驗驗證[D].太原：太原理工大學(xué)，2015.ZHANG Yuan. The fatigue analysis and experimental verification on m39 high strength bolt of space grid structure with bolt sphere joints in service[D]. Taiyuan ：Taiyuan University of Technology，2015.

[9] 劉麗君.螺栓球節(jié)點網(wǎng)架用高強螺栓的疲勞影響因素及缺口效應(yīng)分析[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2003.LIU Lijun. Analysis on fatigue influencing factors and notch effect of high strength bolt used in grid structure with bolt-sphere joints[D].Taiyuan ：Taiyuan University of Technology，2003.

[10] 歐陽卿.高強螺栓受力及疲勞性能研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2013.OUYANG Qing. High strength bolt stress and fatigue performance study[D].Changsha：Hunan University，2013.

[11] 任春紅.對螺紋連接預(yù)緊力控制方法的分析[J]. 煤礦機械，2005（6）：43-44.REN Chunhong. Link the analysis of controlling method of prelightening force for threaded connetion. Coal Mine Machinery，2005（6）：43-44.

[12] 濮良貴，陳國定，吳立言. 機械設(shè)計[M].高等教育出版社，2013.PU Lianggui，CHEN Guoding，WU Liyan. Mechanical design[M]. Beijing ：Higher Education Press，2013.

[13] 浦毅. 受預(yù)緊力和工作載荷的緊螺栓聯(lián)接總拉力分析[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2011（8）：53-55.PU Yi. Analysis on general pulling force of fastening bolt connection based on pre-tight force and work load[J]. Agricultural Equipment & Vehicle Engineering，2011（8）：53-55.

[14] 丁景煥，趙強，曹佳麗. 抽水蓄能機組頂蓋漏水原因分析[J].人民長江，2017，48（23）：100-104.DING Jinghuan，ZHAO Qiang，CAO Jiali. Leakage analysis of header for pumped storatge power station [J].Yangtze River，2017，48（23）：100-104.

[15] 劉莉莉，張德豫. 螺栓疲勞強度計算的再分析[J]. 焦作礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1995，14（2）：55-61.LIU Lili，ZHANG Deyu. More analysis about bolt strength calculating [J]. Journal of Jiaozuo Mining Insititue，1995，14（2）：55-61.

[16] 焦晉峰.基于累積損傷及斷裂力學(xué)理論的高強螺栓疲勞壽命估[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2005.JIAO Jinfeng. Fatigue life estimation on high-strength bolt based on mechanics of fracture and accumulated damage theory [D].Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2005.

[17] 袁偉杰.鋼軌接頭螺栓的疲勞失效特性分析及壽命估算研究[M] .沈陽 ：東北大學(xué)，2011.YUAN Weijie. Study on the characteristics of fatigue failure and life prediction in rail joints boles [D].Shenyang ：Northeastern University，2011.

[18] 周志鴻，李靜. 螺栓疲勞強度計算方法的對比與選擇[J].鑿巖機械氣動工具，2005（4）：6-10.ZHOU Zhihong，LI Jing. Comparison and selection of bolt fatigue strength calculation methods[J].Rocking Drilling Machinery& Pneumatic Tools，2005（4）：6-10.