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2019-09-10 15:43:27張金元田龍張黎明
中國電氣工程學(xué)報(bào) 2019年4期
張金元 田龍 張黎明
摘要： 某電廠等級檢修中發(fā)生一起合金雙頭螺栓斷裂事件。現(xiàn)場排查對比分析，緊固螺栓采用的氣扳機(jī)規(guī)格太大造成過扭矩，導(dǎo)致合金雙頭螺栓拉伸塑性變形，個(gè)別累計(jì)緊固時(shí)間長、累計(jì)扭矩過大最終導(dǎo)致其中一個(gè)螺栓斷裂。更換斷裂的螺栓，機(jī)組啟動運(yùn)行。不同規(guī)格螺栓緊固應(yīng)選擇適配規(guī)格的氣扳機(jī)，科學(xué)操作，避免累計(jì)時(shí)間長、累計(jì)扭矩過大的問題。建議檢修工藝中增加螺栓緊固前后長度測量對比過程，以及排查在役設(shè)備可能存在塑性變形損傷螺栓的工作。
關(guān)鍵詞： 合金螺栓；風(fēng)動扳手；塑性變形
1. 概況
河南省某電廠，2×210MW供熱機(jī)組，哈爾濱汽輪機(jī)廠C160/N210-12.75/535/535型超高壓、一次中間再熱、雙缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。#1、2機(jī)組分別于2008年3月、6月投入商業(yè)運(yùn)營。
該機(jī)組中壓導(dǎo)汽管道額定工作壓力2.53MPa，額定工作溫度為535℃，導(dǎo)汽管道法蘭緊固雙頭螺栓規(guī)格為M30×150，材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB。
#1機(jī)組2012年完成首次A修，2014年完成首次B修，2018年9-10月份，完成第二次B級檢修。
2018年10月11日，該電廠#1機(jī)組B修回裝過程，在進(jìn)行中壓導(dǎo)汽管道法蘭雙頭螺栓緊固時(shí)，采用上海民生電器廠生產(chǎn)的BE56型號儲能沖擊式氣扳機(jī)（也即風(fēng)動扳手）緊固螺栓，發(fā)生一起合金雙頭螺栓一根斷裂的事件。
2018年10月24日機(jī)組啟動至發(fā)稿時(shí)，該電廠#1機(jī)組運(yùn)行正常，待供熱期后擇機(jī)停機(jī)更換所有存在塑性變形的雙頭螺栓。
2. 斷裂螺栓斷口特征情況
斷裂中壓導(dǎo)汽管螺栓斷口發(fā)生在雙頭螺栓中間光桿處，斷口基本在光桿的中間部位，螺栓斷口處兩端光桿均明顯拉伸變細(xì)，呈現(xiàn)錐臺狀，拉伸導(dǎo)致斷口處直徑最細(xì)。斷口處無夾渣等材質(zhì)缺陷，無老、舊裂紋痕跡。
3. 螺栓斷裂原因分析
哈汽廠設(shè)計(jì)中壓導(dǎo)汽管道法蘭緊固雙頭螺栓規(guī)格為M30×150，材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB。現(xiàn)場光譜分析及查看該批次螺栓生產(chǎn)廠家材質(zhì)報(bào)告，材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB一致、正確。雖然螺栓規(guī)格小，現(xiàn)場無法進(jìn)行硬度檢測，但是查看廠家報(bào)告顯示檢測材料硬度約HB275（該材質(zhì)硬度值標(biāo)準(zhǔn)為HB255-293）合格，熱處理工藝符合要求，拉伸強(qiáng)度等指標(biāo)在合格范圍內(nèi)。
斷裂螺栓斷口發(fā)生在雙頭螺栓中間光桿處，螺栓斷口處兩端光桿均明顯拉伸變細(xì)，斷口處無夾渣等材質(zhì)缺陷，無老、舊裂紋痕跡，通過斷口特征判定，該螺栓拉伸塑性變形過大而最終斷裂。
螺栓加工制造廠家提供的出廠檢測報(bào)告，熱處理工藝符合要求，硬度合格，拉伸強(qiáng)度等指標(biāo)在合格范圍內(nèi)，說明螺栓的材質(zhì)及加工制造質(zhì)量合格，滿足使用要求。螺栓被拉伸后均勻的塑性變形，拉伸塑性變形逐步增大，先變細(xì)最終斷裂，均勻的、逐步變細(xì)的縮頸特征，一方面充分說明螺栓材料有良好的塑性和韌性，另一方面說明緊固過程中扭矩載荷過大引起螺栓受到的拉伸應(yīng)力過大，已超過其自身允許的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生塑性變形，最終超出抗拉強(qiáng)度拉伸塑性變形過大而斷裂。
4. 螺栓緊固扭矩過大的原因分析
4.1螺栓緊固前后光桿處直徑及總長度變化證明扭矩過大
同批次新購雙頭螺栓安裝緊固過程中，采用同一臺BE56型號儲能沖擊式氣扳機(jī)緊固螺栓時(shí)，會導(dǎo)致螺栓光桿處直徑變細(xì)約0.5mm；長度方向變長0.5-1mm，存在明顯拉伸塑性變形情況，證明BE56型號氣扳機(jī)緊固M30螺栓時(shí)存在扭矩過大問題。
4.2 存在BE56型號儲能沖擊式氣扳機(jī)規(guī)格偏大過扭矩問題
《國產(chǎn)沖擊式氣扳機(jī)述評》，BE56型號儲能沖擊式氣扳機(jī)緊固螺栓適合螺紋范圍應(yīng)該是M44-M56，其驗(yàn)收扭矩為4903N.m，實(shí)際現(xiàn)場氣扳機(jī)銘牌標(biāo)注擰緊扭矩高達(dá)6370N.m，而M30螺栓應(yīng)采用BE30型號儲能沖擊式氣扳機(jī)，其驗(yàn)收扭矩為883N.m，二者驗(yàn)收扭矩相差5-6倍，則因BE56型號氣扳機(jī)規(guī)格偏大，造成緊固M30螺栓時(shí)存在扭矩過大問題。
4.3沖擊式氣扳機(jī)工作特性存在扭矩過大風(fēng)險(xiǎn)
工作過程中沖擊式氣扳機(jī)輸出扭矩不穩(wěn)定，隨著工作時(shí)間的延長而增加，也即隨著持續(xù)累計(jì)時(shí)間的延長，沖擊式氣扳機(jī)輸出的累計(jì)扭矩會增大，所以實(shí)際操作時(shí)不易控制，即使配備有定扭矩輸出控制機(jī)構(gòu)，效果也不理想，故，沖擊式氣扳機(jī)累計(jì)扭矩增大的工作特性易造成扭矩過大。
綜上所述，一方面因BE56型號氣扳機(jī)規(guī)格偏大，造成緊固M30螺栓時(shí)存在扭矩過大問題，另一方面，工作過程中沖擊式氣扳機(jī)輸出扭矩不穩(wěn)定存在扭矩偏大的情況，再一點(diǎn)，沖擊式氣扳機(jī)累計(jì)時(shí)間持續(xù)長、累計(jì)扭矩增大的工作特性更易造成扭矩過大，三方面因素作用，造成M30合金雙頭螺栓因扭矩過大而拉伸塑性變形，最終因其中一根緊固累計(jì)時(shí)間過長而累計(jì)扭矩過大導(dǎo)致其斷裂。
5. 螺栓斷裂事件處理情況
首先，該電廠#1機(jī)2012年首次A修，2014年首次B修，2018年第二次B修，均是同一個(gè)檢修公司，同一臺BE56型號氣扳機(jī)，相同的緊固工藝，該中壓導(dǎo)汽管道法蘭螺栓緊固因扭矩過大而拉伸塑性變形的問題應(yīng)該是存在已久。如表1數(shù)據(jù)顯示，螺栓編號為8、9的螺栓，即是#1機(jī)B修過程中拆卸下來經(jīng)過長期運(yùn)行服役后的舊螺栓，同樣存在螺栓光桿處直徑變細(xì)約0.5mm；長度方向變長0.5-1mm，也即也存在明顯拉伸塑性變形情況，說明2014年首次B修期間，也存在螺栓過扭矩拉伸塑性變形的情況。
申報(bào)需求計(jì)劃，重新采購全新螺栓，擇機(jī)予以更換所有中壓導(dǎo)汽管道法蘭緊固螺栓，確保機(jī)組運(yùn)行安全。
2018年第二次機(jī)組B修工期已到，而采購全新螺栓尚需時(shí)日才能到貨，參考編號為8、9的螺栓在相同塑性變形情況下已經(jīng)保證機(jī)組長期安全運(yùn)行的經(jīng)歷，鑒于彈性鋼材有屈服到一定程度后，其內(nèi)部晶粒重新排列后抵抗變形能力會提高的特性，故決定暫時(shí)僅更換斷裂的螺栓，保持現(xiàn)狀確保機(jī)組修后整組啟動運(yùn)行，后續(xù)備件螺栓到貨后，再行停機(jī)機(jī)會予以全部重新更換所有變形伸長的雙頭螺栓。
該廠#1機(jī)組B修后啟動運(yùn)行正常，目前進(jìn)入采暖季供熱期，待供熱期后擇機(jī)停機(jī)檢修予以螺栓更換事宜。
6. 結(jié)語
6.1 氣扳機(jī)存在規(guī)格大小，對應(yīng)不同規(guī)格螺紋螺栓緊固時(shí)應(yīng)選擇適配規(guī)格的氣扳機(jī)。杜絕氣扳機(jī)規(guī)格選型偏大，輸出扭矩過大帶來螺栓拉伸應(yīng)力超限，超過螺栓自身材料允許的屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生塑性變形，甚至超出抗拉強(qiáng)度拉伸塑性變形過大而導(dǎo)致螺栓斷裂的問題。
6.2氣扳機(jī)操作過程中，應(yīng)遵循廠家說明書，科學(xué)操作確保合理緊固累計(jì)時(shí)間，避免緊固累計(jì)時(shí)間過長帶來累計(jì)扭矩增大引起過扭矩，造成螺栓拉伸塑性變形甚至斷裂的問題。
6.3由于氣扳機(jī)存在輸出扭矩不確定、不精準(zhǔn)的問題，建議高溫高壓系統(tǒng)檢修工藝中增加螺栓緊固前后長度測量對比過程，一旦發(fā)現(xiàn)存在螺栓拉伸塑性變形的異常情況，應(yīng)采取改進(jìn)螺栓緊固工藝、工具及必要的螺栓更換等技術(shù)措施，避免受傷螺栓服役帶來更大不安全問題。
6.4所述超屈服強(qiáng)度已塑性變形損傷的螺栓服役的案例，是在充分對比不同時(shí)期相同螺栓塑性變形程度，慎重評估決策的臨時(shí)應(yīng)急方案，借鑒需謹(jǐn)慎。鑒于可能存在因檢修過程中使用氣扳機(jī)緊固導(dǎo)致塑性變形而損傷的螺栓服役的情況，強(qiáng)烈建議各電廠及其它行業(yè)加大排查力度及排查范圍，確保在役設(shè)備上塑性變形損傷的螺栓能盡早發(fā)現(xiàn)，通過螺栓更換等措施消除重大安全隱患。
參考文獻(xiàn)：
1. 《國產(chǎn)沖擊式氣扳機(jī)述評》.上海民主電器廠.朱鶴齡.
作者簡介：張金元（1978-），男（漢族），河南省南陽市社旗縣人，本科學(xué)歷。
張金元 田龍 張黎明
摘要： 某電廠等級檢修中發(fā)生一起合金雙頭螺栓斷裂事件。現(xiàn)場排查對比分析，緊固螺栓采用的氣扳機(jī)規(guī)格太大造成過扭矩，導(dǎo)致合金雙頭螺栓拉伸塑性變形，個(gè)別累計(jì)緊固時(shí)間長、累計(jì)扭矩過大最終導(dǎo)致其中一個(gè)螺栓斷裂。更換斷裂的螺栓，機(jī)組啟動運(yùn)行。不同規(guī)格螺栓緊固應(yīng)選擇適配規(guī)格的氣扳機(jī)，科學(xué)操作，避免累計(jì)時(shí)間長、累計(jì)扭矩過大的問題。建議檢修工藝中增加螺栓緊固前后長度測量對比過程，以及排查在役設(shè)備可能存在塑性變形損傷螺栓的工作。
關(guān)鍵詞： 合金螺栓；風(fēng)動扳手；塑性變形
1. 概況
河南省某電廠，2×210MW供熱機(jī)組，哈爾濱汽輪機(jī)廠C160/N210-12.75/535/535型超高壓、一次中間再熱、雙缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。#1、2機(jī)組分別于2008年3月、6月投入商業(yè)運(yùn)營。
該機(jī)組中壓導(dǎo)汽管道額定工作壓力2.53MPa，額定工作溫度為535℃，導(dǎo)汽管道法蘭緊固雙頭螺栓規(guī)格為M30×150，材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB。
#1機(jī)組2012年完成首次A修，2014年完成首次B修，2018年9-10月份，完成第二次B級檢修。
2018年10月11日，該電廠#1機(jī)組B修回裝過程，在進(jìn)行中壓導(dǎo)汽管道法蘭雙頭螺栓緊固時(shí)，采用上海民生電器廠生產(chǎn)的BE56型號儲能沖擊式氣扳機(jī)（也即風(fēng)動扳手）緊固螺栓，發(fā)生一起合金雙頭螺栓一根斷裂的事件。
2018年10月24日機(jī)組啟動至發(fā)稿時(shí)，該電廠#1機(jī)組運(yùn)行正常，待供熱期后擇機(jī)停機(jī)更換所有存在塑性變形的雙頭螺栓。
2. 斷裂螺栓斷口特征情況
斷裂中壓導(dǎo)汽管螺栓斷口發(fā)生在雙頭螺栓中間光桿處，斷口基本在光桿的中間部位，螺栓斷口處兩端光桿均明顯拉伸變細(xì)，呈現(xiàn)錐臺狀，拉伸導(dǎo)致斷口處直徑最細(xì)。斷口處無夾渣等材質(zhì)缺陷，無老、舊裂紋痕跡。
3. 螺栓斷裂原因分析
哈汽廠設(shè)計(jì)中壓導(dǎo)汽管道法蘭緊固雙頭螺栓規(guī)格為M30×150，材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB。現(xiàn)場光譜分析及查看該批次螺栓生產(chǎn)廠家材質(zhì)報(bào)告，材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB一致、正確。雖然螺栓規(guī)格小，現(xiàn)場無法進(jìn)行硬度檢測，但是查看廠家報(bào)告顯示檢測材料硬度約HB275（該材質(zhì)硬度值標(biāo)準(zhǔn)為HB255-293）合格，熱處理工藝符合要求，拉伸強(qiáng)度等指標(biāo)在合格范圍內(nèi)。
斷裂螺栓斷口發(fā)生在雙頭螺栓中間光桿處，螺栓斷口處兩端光桿均明顯拉伸變細(xì)，斷口處無夾渣等材質(zhì)缺陷，無老、舊裂紋痕跡，通過斷口特征判定，該螺栓拉伸塑性變形過大而最終斷裂。
螺栓加工制造廠家提供的出廠檢測報(bào)告，熱處理工藝符合要求，硬度合格，拉伸強(qiáng)度等指標(biāo)在合格范圍內(nèi)，說明螺栓的材質(zhì)及加工制造質(zhì)量合格，滿足使用要求。螺栓被拉伸后均勻的塑性變形，拉伸塑性變形逐步增大，先變細(xì)最終斷裂，均勻的、逐步變細(xì)的縮頸特征，一方面充分說明螺栓材料有良好的塑性和韌性，另一方面說明緊固過程中扭矩載荷過大引起螺栓受到的拉伸應(yīng)力過大，已超過其自身允許的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生塑性變形，最終超出抗拉強(qiáng)度拉伸塑性變形過大而斷裂。
4. 螺栓緊固扭矩過大的原因分析
4.1螺栓緊固前后光桿處直徑及總長度變化證明扭矩過大
同批次新購雙頭螺栓安裝緊固過程中，采用同一臺BE56型號儲能沖擊式氣扳機(jī)緊固螺栓時(shí)，會導(dǎo)致螺栓光桿處直徑變細(xì)約0.5mm；長度方向變長0.5-1mm，存在明顯拉伸塑性變形情況，證明BE56型號氣扳機(jī)緊固M30螺栓時(shí)存在扭矩過大問題。
4.2 存在BE56型號儲能沖擊式氣扳機(jī)規(guī)格偏大過扭矩問題
《國產(chǎn)沖擊式氣扳機(jī)述評》，BE56型號儲能沖擊式氣扳機(jī)緊固螺栓適合螺紋范圍應(yīng)該是M44-M56，其驗(yàn)收扭矩為4903N.m，實(shí)際現(xiàn)場氣扳機(jī)銘牌標(biāo)注擰緊扭矩高達(dá)6370N.m，而M30螺栓應(yīng)采用BE30型號儲能沖擊式氣扳機(jī)，其驗(yàn)收扭矩為883N.m，二者驗(yàn)收扭矩相差5-6倍，則因BE56型號氣扳機(jī)規(guī)格偏大，造成緊固M30螺栓時(shí)存在扭矩過大問題。
4.3沖擊式氣扳機(jī)工作特性存在扭矩過大風(fēng)險(xiǎn)
工作過程中沖擊式氣扳機(jī)輸出扭矩不穩(wěn)定，隨著工作時(shí)間的延長而增加，也即隨著持續(xù)累計(jì)時(shí)間的延長，沖擊式氣扳機(jī)輸出的累計(jì)扭矩會增大，所以實(shí)際操作時(shí)不易控制，即使配備有定扭矩輸出控制機(jī)構(gòu)，效果也不理想，故，沖擊式氣扳機(jī)累計(jì)扭矩增大的工作特性易造成扭矩過大。
綜上所述，一方面因BE56型號氣扳機(jī)規(guī)格偏大，造成緊固M30螺栓時(shí)存在扭矩過大問題，另一方面，工作過程中沖擊式氣扳機(jī)輸出扭矩不穩(wěn)定存在扭矩偏大的情況，再一點(diǎn)，沖擊式氣扳機(jī)累計(jì)時(shí)間持續(xù)長、累計(jì)扭矩增大的工作特性更易造成扭矩過大，三方面因素作用，造成M30合金雙頭螺栓因扭矩過大而拉伸塑性變形，最終因其中一根緊固累計(jì)時(shí)間過長而累計(jì)扭矩過大導(dǎo)致其斷裂。
5. 螺栓斷裂事件處理情況
首先，該電廠#1機(jī)2012年首次A修，2014年首次B修，2018年第二次B修，均是同一個(gè)檢修公司，同一臺BE56型號氣扳機(jī)，相同的緊固工藝，該中壓導(dǎo)汽管道法蘭螺栓緊固因扭矩過大而拉伸塑性變形的問題應(yīng)該是存在已久。如表1數(shù)據(jù)顯示，螺栓編號為8、9的螺栓，即是#1機(jī)B修過程中拆卸下來經(jīng)過長期運(yùn)行服役后的舊螺栓，同樣存在螺栓光桿處直徑變細(xì)約0.5mm；長度方向變長0.5-1mm，也即也存在明顯拉伸塑性變形情況，說明2014年首次B修期間，也存在螺栓過扭矩拉伸塑性變形的情況。
申報(bào)需求計(jì)劃，重新采購全新螺栓，擇機(jī)予以更換所有中壓導(dǎo)汽管道法蘭緊固螺栓，確保機(jī)組運(yùn)行安全。
2018年第二次機(jī)組B修工期已到，而采購全新螺栓尚需時(shí)日才能到貨，參考編號為8、9的螺栓在相同塑性變形情況下已經(jīng)保證機(jī)組長期安全運(yùn)行的經(jīng)歷，鑒于彈性鋼材有屈服到一定程度后，其內(nèi)部晶粒重新排列后抵抗變形能力會提高的特性，故決定暫時(shí)僅更換斷裂的螺栓，保持現(xiàn)狀確保機(jī)組修后整組啟動運(yùn)行，后續(xù)備件螺栓到貨后，再行停機(jī)機(jī)會予以全部重新更換所有變形伸長的雙頭螺栓。
該廠#1機(jī)組B修后啟動運(yùn)行正常，目前進(jìn)入采暖季供熱期，待供熱期后擇機(jī)停機(jī)檢修予以螺栓更換事宜。
6. 結(jié)語
6.1 氣扳機(jī)存在規(guī)格大小，對應(yīng)不同規(guī)格螺紋螺栓緊固時(shí)應(yīng)選擇適配規(guī)格的氣扳機(jī)。杜絕氣扳機(jī)規(guī)格選型偏大，輸出扭矩過大帶來螺栓拉伸應(yīng)力超限，超過螺栓自身材料允許的屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生塑性變形，甚至超出抗拉強(qiáng)度拉伸塑性變形過大而導(dǎo)致螺栓斷裂的問題。
6.2氣扳機(jī)操作過程中，應(yīng)遵循廠家說明書，科學(xué)操作確保合理緊固累計(jì)時(shí)間，避免緊固累計(jì)時(shí)間過長帶來累計(jì)扭矩增大引起過扭矩，造成螺栓拉伸塑性變形甚至斷裂的問題。
6.3由于氣扳機(jī)存在輸出扭矩不確定、不精準(zhǔn)的問題，建議高溫高壓系統(tǒng)檢修工藝中增加螺栓緊固前后長度測量對比過程，一旦發(fā)現(xiàn)存在螺栓拉伸塑性變形的異常情況，應(yīng)采取改進(jìn)螺栓緊固工藝、工具及必要的螺栓更換等技術(shù)措施，避免受傷螺栓服役帶來更大不安全問題。
6.4所述超屈服強(qiáng)度已塑性變形損傷的螺栓服役的案例，是在充分對比不同時(shí)期相同螺栓塑性變形程度，慎重評估決策的臨時(shí)應(yīng)急方案，借鑒需謹(jǐn)慎。鑒于可能存在因檢修過程中使用氣扳機(jī)緊固導(dǎo)致塑性變形而損傷的螺栓服役的情況，強(qiáng)烈建議各電廠及其它行業(yè)加大排查力度及排查范圍，確保在役設(shè)備上塑性變形損傷的螺栓能盡早發(fā)現(xiàn)，通過螺栓更換等措施消除重大安全隱患。
參考文獻(xiàn)：
1. 《國產(chǎn)沖擊式氣扳機(jī)述評》.上海民主電器廠.朱鶴齡.
作者簡介：張金元（1978-），男（漢族），河南省南陽市社旗縣人，本科學(xué)歷。
