核电机组二回路主蒸汽隔离阀螺栓“咬死”原因分析

胡明磊，张　维，罗坤杰，王　力

（1. 中核核电运行管理有限公司，浙江　海盐　314300；2. 苏州热工研究院有限公司，江苏　苏州　215400）

核电机组二回路主蒸汽隔离阀螺栓“咬死”原因分析

胡明磊1，张维1，罗坤杰2，王力2

（1. 中核核电运行管理有限公司，浙江海盐314300；2. 苏州热工研究院有限公司，江苏苏州215400）

某核电厂新建机组第一次大修期间，对主蒸汽隔离阀进行解体检修，发现多个阀盖螺栓与螺母发生了“咬死”现象，拆卸过程中个别螺栓甚至被拧断，对失效的螺栓、螺母进行了理化检验。成分分析表明，螺栓、螺母材料符合标准要求；硬度试验表明，螺母硬度值比螺栓高47 HB；金相分析表明，螺母组织为回火马氏体+回火索氏体，螺栓组织为回火索氏体。螺栓、螺母硬度值的不合理匹配，是二者发生“咬死”现象及拆卸过程中个别螺栓被拧断的根本原因。

螺栓；螺母；硬度；回火马氏体

某核电厂新建机组第一次换料大修期间，对二回路主蒸汽隔离阀进行解体检修。工作人员在阀体拆卸过程中发现，阀盖多个双头螺栓上端，螺纹与螺母之间发生“咬死”现象，难以拆卸（见图1）。为了将螺栓顺利拧开，工作人员加大扭矩，结果多个螺栓表面螺牙发生塑性变形，严重损坏，甚至个别螺栓被拧断。断裂位置位于螺栓下端阀体内部，阀体的内螺纹也有不同程度的损坏，给阀门解体检修及后续安装，甚至机组检修工作带来了极大不便。为了查明螺栓“咬死”的原因，本文进行了失效分析。

图1　“咬死”的螺栓、螺母Fig.1　Scuffed bolt/nut and broken bolt

1　试验结果与讨论

1.1化学成分分析

利用OPTIMA 2100DV型全谱直读等离子体光谱仪和CS-902G型高频红外碳硫分析仪对发生“咬死”的螺栓、螺母进行化学成分分析。螺栓材料为ASME SA193-B7，螺母材料为ASME SA194-7，材料成分符合标准要求。

1.2硬度分析

利用H B S-3000布氏硬度计，根据G B/ T 231.1—2009《金属布氏硬度试验第一部分 试验方法》，对螺栓、螺母硬度进行检测，为使结果更加准确，螺母硬度测试面为横截面和侧面，螺栓由于受形状限制只能检测横截面，硬度测点位置及测量结果如图2、图3所示，螺母的平均硬度比螺栓高47 HB。

1.3组织分析

（1）夹杂物分析

图2　螺母硬度测试面Fig.2　Hardness test section of nut

夹杂物分析采用标准G B/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定——标准评级图显微检验法》，结果如图4所示。根据评价结果，螺栓夹杂物为A2，螺母夹杂物为D1.5，未见其他类型的夹杂物。

图3　螺栓硬度测试面Fig.3　Hardness test section of bolt

（2）组织分析

螺栓、螺母组织金相分析结果如图5所示。螺栓组织为回火索氏体，螺母组织为回火马氏体+回火索氏体。

1.4“咬死”原因分析

图4　夹杂物分析Fig.4　Inclusion analysis

图5　螺栓、螺母组织分析Fig.5　Microstructural analysis

根据相关文献［1-3］及经验反馈，螺栓与螺母发生“咬死”的可能原因有：牙纹粗糙、防咬剂选择不当、拆装不规范（降温未到达要求即拆卸，安装顺序不对）、选材不当（螺丝的抗拉强度和螺帽的安全负荷不满足使用要求，易导致螺纹塑性变形而“咬死”，螺栓、螺母硬度不匹配），螺栓尺寸存在偏差等。“咬死”螺栓使用的防咬剂为N5000镍基抗咬合剂，该产品广泛应用于电厂其他类似位置，从使用结果来看，该防咬剂防咬合效果较好，完全满足使用要求。阀体的紧固螺栓在安装及拆卸过程严格按照电厂相关管理程序的规程来操作，并未出现降温未达到要求拆卸、安装顺序不对、上锁过快及载荷偏斜现象。此外，螺栓在高温运行前，在冷调试阶段安装人员拆卸及安装多次，并未出现“咬死”现象，表明螺栓表面无异常、且制造尺寸没有较大偏差，符合拆装要求。送检的螺栓、螺母的理化分析表明，螺栓、螺母成分符合相应标准要求。螺母组织为回火马氏体+回火索氏体，平均硬度为313.7 HB；螺栓组织为回火索氏体，平均硬度为266.5 HB。对于高温使用的紧固件，若螺栓硬度远低于螺母硬度，则在紧固件安装拆卸过程中，螺栓螺牙易发生微量磨损变形，甚至局部部位螺栓与螺母直接贴合，减弱抗咬合剂的使用效果，在高温长期服役时极易发生“咬死”。因此，为减少磨损防止高温服役环境下螺纹“咬死”，DL438—2000《火力发电厂金属监督技术规程》、DL439—1991《火力发电厂高温紧固件技术导则》明确规定，对于高温长期使用的螺栓及螺母，螺栓硬度应比配对螺母硬度高30～50 HB。本文发生“咬死”的螺栓、螺母位于核电厂二回路主蒸汽隔离阀，使用温度为230～240 ℃，属于核电厂的高温紧固件。螺栓硬度值比螺母硬度值低了47 HB，硬度值不匹配，这是造成螺栓、螺母发生“咬死”的根本原因。“咬死”后，在强行拆卸过程中，螺栓因硬度低，强度相对也较低，个别螺栓被拧断。

SA194-GR7螺母按照ASME SA194标准制造，该标准规定GR7的螺母需在适当的介质中淬火，并在不低于595 ℃的温度下回火，因此其组织应为回火索氏体，而非回火马氏体+回火索氏体。金相组织表明，螺母在制造过程中的回火温度偏低。SA193-GRB7螺栓按照ASME SA193标准制造，该标准规定GRB7的螺栓件应在液体介质中淬火及回火，但并未明确规定回火温度要求。送检螺栓的金相组织为回火索氏体，因此推断螺栓采用的是高温回火。对比SA193-GRB7和 SA194-GR7，两种材料的成分几乎相同，淬透性和淬硬性也几乎相同，若要将两者材料匹配成高温长期用紧固件，并实现螺栓硬度比螺母高30～50 HB，在满足标准规定螺母材料回火温度需≥595 ℃的前提下，螺栓材料的回火温度需适当低于螺母材料的回火温度，但要避免第一类和第二类回火脆性。

2　结论与建议

1）送检螺栓和螺母化学成分符合标准要求。螺母组织为回火马氏体+回火索氏体，螺栓组织为回火索氏体，螺母硬度值比螺栓高47 HB，金相组织的不合理匹配，造成了螺栓、螺母硬度值的不合理匹配，这是螺栓、螺母发生“咬死”以及在拆卸过程中部分螺栓被拧断的根本原因。

2）建议核电厂对高温用螺栓、螺母加强役前检查及在役检查，螺栓、螺母应使用不同强度等级的材料，确保硬度值匹配，避免此类“咬死”及螺栓被拧断事件再次发生。

［1］ 王鉴.5号汽轮机气缸结合面螺栓失效原因分析［J］.冶金动力，1998，5：27-31.（WANG Jian. Failure cause analysis for the junction plane bolt of 5# turbine cylinder ［J］. Metallurgy Dynamics， 1998，5：27-31.）

［2］ 刘丽军，张洪斌.汽轮机气缸螺栓咬死的原因及对策［J］.一重技术，2004，2：70-71.（LIU LI-jun，ZHANG Hong-bin. Causes and countermeasures for turbine cylinder bolt seizure ［J］ Technologies of CFHI， 2004， 2：70-71.）

［3］ 乐淑芳，袁启民.在役高温螺栓失效原因分析［J］.河北电力技术，1999，1（18）：54-56.（YUE Shufang， YUAN Qi-min. Failure cause analysis for the in-service high temperature bolt ［J］. Hebei Electric Power Technologies， 1999，1（18）：54-56.）

Cause Analysis of an Scuffed Bolt of Main Steam Isolation Valve

HU Ming-lei1，ZHANG Wei1，LUO Kun-jie2，WANG Li2
（1. CNNC Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China； 2. Suzhou Nuclear Power Institute，Suzhou of Jiangsu Prov. 215400，China）

Some bolts and nuts of main steam isolation valve were found scuffed during the first refueling outage in new nuclear power plant. Several bolts were broken during the disassembly process. Physical and chemical inspection were conducted. The results shows that the composition of both bolts and nuts is in accordance with ASME standard. The hardness value of nut is 47HB greater than that of bolt. The microstructure of nut is tempered martensite and tempered sorbite. The microstructure of bolt is tempered sorbite. The mismatching hardness of inspected bolt and nut is the root cause of the scuffing incident.

scuffed； hardness； tempered martensite； tempered sorbite

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）01-0075-04

TM623

A

1674-1617（2015）01-0075-04

2014-12-03

胡明磊（1982—），男，河南民权人，工程师，硕士学位，从事核电厂老化防腐方面的研究及工作。