核電項(xiàng)目地腳螺栓標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題探討

深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司□陶新磊

緊固件在核電廠系統(tǒng)和設(shè)備中大量使用，具有密封、部件連接和支承固定等多種功能，其質(zhì)量和性能構(gòu)成了核電廠整體質(zhì)量和安全的重要部分。經(jīng)過(guò)各個(gè)核電項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)反饋后，其在核電工程質(zhì)量中的重要性越來(lái)越得到重視。國(guó)家核安全局在2016年對(duì)核電項(xiàng)目緊固件的管理專門發(fā)文，強(qiáng)調(diào)了緊固件質(zhì)量管理的重要性，對(duì)于安全重要物項(xiàng)的緊固增加了第三方復(fù)驗(yàn)，規(guī)范了檢驗(yàn)項(xiàng)目，緊固件質(zhì)量控制得到有效提高。但是核電項(xiàng)目使用緊固件標(biāo)準(zhǔn)門類眾多，使用過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題。

緊固件通常分為兩類：第一類是專門設(shè)計(jì)，設(shè)備制造廠采用鋼棒自行加工而成，為專用緊固件，其材料化學(xué)成分和機(jī)械性能按專門標(biāo)準(zhǔn)考核，如GB/T 150.1～.4《壓力容器》系列標(biāo)準(zhǔn)、ASME美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)、RCC-M法國(guó)壓水堆機(jī)械設(shè)備制造與設(shè)計(jì)規(guī)范；第二類是按GB/T 3098《緊固件機(jī)械性能》系列標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)制造的普通緊固件，其材料化學(xué)成分和機(jī)械性能都在相應(yīng)的緊固件通用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的不同導(dǎo)致檢驗(yàn)試驗(yàn)項(xiàng)目和方法的不同，尤其是對(duì)于設(shè)備法蘭本體螺栓采用專門標(biāo)準(zhǔn)而地腳螺栓屬于普通螺栓采用緊固件通用標(biāo)準(zhǔn)的情況，實(shí)際工作中容易造成混淆。

1 地腳螺栓檢驗(yàn)項(xiàng)目缺失問(wèn)題

地腳螺栓是核電設(shè)備的重要緊固和連接組件，具有高強(qiáng)度要求，部分重要設(shè)備的地腳螺栓還有明確的抗震要求。一旦出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，甚至影響電站的安全運(yùn)行。但是當(dāng)前國(guó)內(nèi)尚未有專門的核電項(xiàng)目地腳螺栓標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚在審查批準(zhǔn)中，在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)存在混亂，導(dǎo)致缺失檢驗(yàn)項(xiàng)目或取樣位置錯(cuò)誤。

以 《科技視界》所載文章 《核電廠埋置式地腳螺栓材料性能檢測(cè)》文中公開(kāi)的地腳螺栓復(fù)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為例來(lái)說(shuō)明在核電項(xiàng)目地腳螺栓執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)方面的爭(zhēng)議。 《核電廠埋置式地腳螺栓材料性能檢測(cè)》文中某項(xiàng)目根據(jù)其內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)給出了核電廠1、2、3級(jí)設(shè)備地腳螺栓入場(chǎng)的檢驗(yàn)項(xiàng)目，包括硬度試驗(yàn)、化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)。事實(shí)上，對(duì)于設(shè)備的地腳螺栓，雖然核電行業(yè)沒(méi)有專用的標(biāo)準(zhǔn)，但是GB/T 799—1988《地腳螺栓》對(duì)地腳螺栓的性能檢測(cè)有明確的要求，規(guī)定地腳螺栓機(jī)械性能應(yīng)滿足GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求。表1對(duì)比了內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)與GB/T 799—1988《地腳螺栓》的試驗(yàn)項(xiàng)目差異。

表1 地腳螺栓試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)比

通過(guò)表1對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前部分核電項(xiàng)目對(duì)地腳螺栓的檢驗(yàn)要求偏低，在當(dāng)前核電項(xiàng)目對(duì)地腳螺栓沒(méi)有專用標(biāo)準(zhǔn)的情況下，對(duì)地腳螺栓的檢驗(yàn)要求不應(yīng)當(dāng)?shù)陀趶?qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB/T 799—1988《地腳螺栓》。一般情況下，材料的淬透性好，螺栓橫截面上硬度能均勻分布。只要硬度合格，強(qiáng)度和保證應(yīng)力也能達(dá)到要求。但是當(dāng)材料的淬透性差，或熱處理工藝不合理，雖然按規(guī)定的部位檢查，硬度是合格的，但強(qiáng)度和保證應(yīng)力往往達(dá)不到要求。不合理的熱處理工藝導(dǎo)致表面脫碳有可能導(dǎo)致緊固件螺紋強(qiáng)度降低甚至在安裝使用中產(chǎn)生脫扣，造成失效。所以需要在線材退火、緊固件熱處理之后分別進(jìn)行脫碳檢測(cè)。脫碳試驗(yàn)、保證載荷試驗(yàn)、再回火試驗(yàn)和表面缺陷檢查對(duì)保證地腳螺栓的機(jī)械性能至關(guān)重要，缺失這些試驗(yàn)項(xiàng)目顯然是不合適的。

2 緊固件力學(xué)性能檢測(cè)取樣位置問(wèn)題

專用緊固件和普通緊固件在取樣檢測(cè)方法上也存在差異，在實(shí)際工作中容易被忽視。在核電項(xiàng)目的壓力容器等設(shè)備設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，對(duì)于核級(jí)容器法蘭上的螺栓，核級(jí)設(shè)備采用RCC-M法國(guó)壓水堆機(jī)械設(shè)備制造與設(shè)計(jì)規(guī)范或ASME美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，非核級(jí)設(shè)備螺栓采用GB/T 150《壓力容器》系列標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)螺栓的要求。但是設(shè)備的地腳螺栓很多時(shí)候并不劃分為核級(jí)設(shè)備，不適用RCC-M法國(guó)壓水堆機(jī)械設(shè)備制造與設(shè)計(jì)規(guī)范或ASME美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。RCC-M法國(guó)壓水堆機(jī)械設(shè)備制造與設(shè)計(jì)規(guī)范、ASME美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 150《壓力容器》系列標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)范的材料章節(jié)均規(guī)定了對(duì)緊固件的性能考核在棒材上取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，如檢驗(yàn)沖擊試驗(yàn)性能等，而GB/T 3098.1—2010中9.14.1節(jié)規(guī)定 “應(yīng)從尺寸檢驗(yàn)合格的緊固件成品上制取試件”。在實(shí)際工作中，采購(gòu)和設(shè)計(jì)人員容易混淆，尤其是對(duì)于核級(jí)的容器、泵類設(shè)備其本體法蘭上的螺栓依據(jù)RCC-M和ASME標(biāo)準(zhǔn)，而地腳螺栓采用非核級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)的情況。

例如某第三代非能動(dòng)核電項(xiàng)目采用符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求的棒材制造了一批地腳螺栓用于泵等核級(jí)設(shè)備地腳螺栓，材質(zhì)為25Cr2MoVA，使用鋼棒材料標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3077—2015，強(qiáng)度等級(jí)8.8級(jí)。該項(xiàng)目采用模塊化建造技術(shù)，地腳螺栓作為大宗材料由建安承包商采購(gòu)，與以往CPR1000核電項(xiàng)目隨設(shè)備制造廠供貨模式不同。建安承包商按材料標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015在原材料鋼棒上進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)檢測(cè)，即認(rèn)為緊固件合格。這種做法顯然是不符合要求的，GB/T 3077—2015和 GB/T 3098.1—2010沖擊功試驗(yàn)方法雖然都遵從GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，但缺口形式、沖擊吸收能量、試驗(yàn)溫度均不相同，考核數(shù)據(jù)差距較大。

GB/T 3077—2015規(guī)定的棒材并不是專門用于制造緊固件的材料，雖然其可以作為緊固件的生產(chǎn)材料，GB/T 3098.1—2010沒(méi)有限定螺栓制造廠采用何種熱處理工藝，對(duì)材料的成分規(guī)定也較為寬泛，所以力學(xué)性能測(cè)試必須取在成品上，才能確保螺栓力學(xué)性能，因其不僅是對(duì)螺栓性能的考核，也是對(duì)熱處理工藝和材料性能的考核。而專門設(shè)計(jì)的緊固件，都嚴(yán)格限定了材料的成分，限定了棒材的熱處理工藝，所以在與產(chǎn)品相同熱處理的棒材上取樣測(cè)試就能夠證明緊固件性能合格，例如GB/T 150《壓力容器》系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)容器法蘭使用的滿足GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)的40Cr螺栓棒材補(bǔ)充了最低回火溫度等熱處理工藝數(shù)據(jù)。但是如果混淆了這兩類緊固件的不同，對(duì)地腳螺栓直接在鋼棒上取樣并按材料標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)是必然錯(cuò)誤的。

對(duì)于該案例，采用GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)作為螺栓制造廠原材料化學(xué)成分檢測(cè)等質(zhì)量控制的依據(jù)，按GB/T 799—1988規(guī)定執(zhí)行GB/T 3098.1—2010的規(guī)定取樣和檢驗(yàn)才是合理檢驗(yàn)流程。

3 關(guān)于進(jìn)行再回火試驗(yàn)必要性的探討

部分核電項(xiàng)目已經(jīng)增加了脫碳試驗(yàn)、保證載荷試驗(yàn)、表面缺陷檢查的要求，但是在核電項(xiàng)目上，尚未有進(jìn)行再回火試驗(yàn)的要求。再回火試驗(yàn)即對(duì)8.8級(jí)～12.9級(jí)的螺栓、螺釘和螺柱，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的最低回火溫度低10℃保溫30min，在同一試樣上并在與第一次測(cè)定相同的區(qū)域，試驗(yàn)前后三點(diǎn)硬度平均值之差不得超過(guò)20HV。再回火試驗(yàn)可以檢查因淬火硬度不足，制造廠使用過(guò)低的溫度回火來(lái)勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)定硬度范圍的錯(cuò)誤熱處理工藝。這種錯(cuò)誤做法，因其強(qiáng)度、硬度、韌性檢測(cè)結(jié)果合格，往往容易被忽視。在航天、汽車行業(yè)的緊固件使用中，已出現(xiàn)過(guò)突然斷裂的現(xiàn)象，這與淬火硬度不足，采用較低回火溫度造成鋼中殘余奧氏體含量較多有關(guān)。殘余奧氏體在常溫下是非穩(wěn)定狀態(tài)，服役過(guò)程中在振動(dòng)等應(yīng)力作用下會(huì)造成組織轉(zhuǎn)變引發(fā)螺紋失效或斷裂，且由于表現(xiàn)為延遲斷裂，容易忽視，危害性較大。較多的殘余奧氏體偏聚甚至能夠直接導(dǎo)致螺栓性能的大幅降低。雖然在核電項(xiàng)目尚未發(fā)生關(guān)于此類失效的事件，但是在航天、汽車行業(yè)的失效經(jīng)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)引以為鑒，尤其是在柴油機(jī)上發(fā)生過(guò)42CrMo螺栓斷裂事件，對(duì)核電項(xiàng)目類似設(shè)備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)具有很高的參考價(jià)值。對(duì)于作為大宗材料采購(gòu)的普通緊固件，沒(méi)有專門標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其最低回火溫度進(jìn)行規(guī)定，為確保螺栓的機(jī)械性能，進(jìn)行再回火試驗(yàn)很有必要。對(duì)于專用緊固件，增加再回火試驗(yàn)也是對(duì)緊固件制造過(guò)程熱處理工藝質(zhì)量控制的有效方法，增加再回火試驗(yàn)也是一種有效的質(zhì)量驗(yàn)證控制手段，尤其對(duì)于非核級(jí)緊固件不進(jìn)行熱處理工藝記錄的情況。

4 結(jié)論

核電項(xiàng)目地腳螺栓機(jī)械性能檢測(cè)應(yīng)當(dāng)滿足GB/T 799—1988的規(guī)定，機(jī)械性能遵循GB/T 3098.1—2010要求。

專用緊固件和普通緊固件在適用標(biāo)準(zhǔn)上存在差異，如試驗(yàn)檢測(cè)的取樣位置的規(guī)定不同，在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意區(qū)分。不僅對(duì)地腳螺栓，對(duì)其他類型緊固件亦是如此，但是地腳螺栓與設(shè)備本體螺栓緊密相連，更容易混淆。螺栓雖然在建造階段作為大宗材料采購(gòu)，但是其與傳統(tǒng)意義上的原材料棒材、板材并不完全相同，尤其是普通緊固件，不能錯(cuò)誤使用材料標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)要求替代緊固件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

再回火試驗(yàn)可以檢查因淬火硬度不足，制造廠使用過(guò)低的溫度回火來(lái)勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)定硬度范圍的錯(cuò)誤熱處理工藝。這是加強(qiáng)緊固件質(zhì)量控制的良好措施，鑒于航空、汽車行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，再回火試驗(yàn)在核電項(xiàng)目緊固件螺栓質(zhì)量檢測(cè)中的作用應(yīng)當(dāng)重視。