核电厂埋置式地脚螺栓材料性能检测

刘聪　鲁万乾

【摘 要】本文简要介绍了核电厂1、2、3级设备用紧固件技术条件中关于紧固件材料性能复验相关技术要求，并结合国内核电厂已有紧固件在线检测实践经验，总结了埋置式地脚螺栓安装后性能检测方案。

【关键词】地脚螺栓；性能检测；试样重组

0 概述

由于埋置式地脚螺栓经过一次浇灌或二次浇灌预埋在混凝土基础里，其难以更换且一般无备件，在其性能质量无法证明时，其检测工作难度大，目前尚无相关标准规范可用于指导安装后地脚螺栓材料性能检测。结合国内核电厂已有紧固件在线检测实践经验，对核电厂埋置式地脚螺栓安装后性能检测方案进行分析及总结。

1 技術条件要求

目前，国内核行业未编制规范、指导出厂或入场复验活动的紧固件复验技术条件，国内核电厂设备埋置式地脚螺栓安装后性能检测主要依据用于规范核级紧固件采的1、2、3级设备用紧固件技术条件（Q/CNPE.J104.22-2009）。

根据《Q/CNPE.J104.22-2009 1、2、3级设备用紧固件技术条件》规定，在紧固件进行过热处理且在紧固件上进行验收时，应按下列要求进行试验：

1.1 试验项目

主要检测项目如下：

——螺栓：硬度试验、化学成分分析、拉伸试验、冲击试验；

——螺母：硬度试验、化学成分分析、拉伸试验。

在每根紧固件上进行硬度试验，来检验每批紧固件的均匀性。每批紧固件的硬度偏差一般不超过30HBW。

除在每根紧固件上做硬度试验外，还应包括：

a）一个室温拉伸试验；

b）特殊规定时，一个350oC高温拉伸试验；

c）螺纹直径不小于15mm的紧固件，作三个试样为一组的夏比V型缺口冲击试验：

——由合金钢或马氏体不锈钢棒制造的紧固件，试验温度为0oC；

——由奥氏体钢棒制造的紧固件，试验温度为室温。

1.2 取样原则

硬度试验：以批次为单位，每个紧固件均进行硬度测试；

其他试验：按批进行其他试验，试验数目按紧固件数量作如下规定：

a）一批紧固件数量不超过500根，做两组试验；

b）一批紧固件数量超过500根，作四组试验。

在每批硬度最低和最高的紧固件上各作一组或两组试验。

批次规则：每批次紧固件由同批钢棒、相同制造工艺制造的同类型、同螺纹规格并同炉进行热处理的紧固件组成。

2 现场检测实施

现场实施地脚螺栓性能检测时，主要进行如下试验项目以评估紧固件性能否满足技术条件。

2.1 现场硬度测试

按《GB/T 17394.1-2014 金属材料 里氏硬度试验 第1部分：试验方法》规定对紧固件进行表面准备和现场里氏硬度测量，并按《GB/T 17394.4-2014 金属材料 里氏硬度试验 第4部分：硬度值换算表》转换为布氏硬度值。根据《GB/T 1172-1999 黑色金属硬度及强度换算值》推测拉伸试验的强度等指标。

现场里氏硬度测量一般较实验室布氏硬度测量偏保守[1]，但其硬度值绝对大小仍可用于地脚螺栓材料性能整体趋势判断。

2.2 现场成分分析

通过便携式成分分析仪器，判定紧固件的化学成分是否满足要求。

3 破坏性取样

由于目前尚无可行在线检测试验方法可以测算地脚螺栓材料冲击性能，故为获取螺栓冲击性能，需在确保螺栓的原有功能不丧失对地脚螺栓进行破坏性取样检测。

进行破坏性取样前，需对地脚螺栓露头部分长度（即锁紧螺母上端面至地脚螺栓上端面的长度距离）进行现场测量，根据露头部分长度，可以采取如下两种取样检测方案：

1）在螺栓长度大于70mm时，可通过直接取样获取完整冲击试样；

2）在螺栓长度小于70mm，可通过试样重组技术获取重组冲击试样。

3.1 完整冲击试样

根据《GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法》可知，冲击试样尺寸必须满足长度为55mm，横截面为10mm×10mm方形截面的要求。

考虑到试样加工余量需保留5mm，现场切割取样损耗余量5mm，以及切割露头部分后需保留一定长度5mm（经验值为1至2道螺纹，以便于螺母旋进与旋出），即只有在地脚螺栓露头部分长度达70mm时，才能取到长度为55mm的完整试样。故在地脚螺栓可切割长度大于70mm时，可考虑直接对地脚螺栓进行机械切割，取得长度大于60mm的试样后，机加工成标准冲击试样进行冲击试验获取螺栓材料冲击韧性。

3.2 重组冲击试样

在地脚螺栓露头长度小于70mm时，考虑到现场已安装地脚螺栓取样尺寸受限，无法截取完整冲击试样，故采用试样重组技术对地脚螺栓材料进行冲击性能评价（如图1），即在螺栓露头的地方截取一段试样，其余母材用相同牌号材料经焊接重组后做夏比冲击试验，获取冲击值。

图1 利用试样重组技术测材料冲击性能示意图

采用上述试样重组方案，需考虑焊接工艺、试验装置方法以及材料等因素确定最小插入段（检测对象母材）尺寸，以便分析螺栓材料试样重组技术的可行性。

4 实验室复验内容

在进行地脚螺栓破坏性取样后，委托具有资质的材料实验室进行各项材料性能检测试验。实验室材料性能复验内容包括化学成分分析、金相试验、硬度试验、拉伸试验和Charpy冲击试验。

4.1 化学成分分析

按《GB/T 20125-2006 低合金钢 多元素的测定 电感耦合等离子体发射光谱法》和《GB/T 20123-2006 钢铁 总碳硫含量的测定 高频感应炉燃烧后红外吸收法》规定执行。

4.2 金相试验

按《GB/T 13298-1991 金属显微组织检验方法》和《GB/T 13299-1991 钢的显微组织评定方法》规定执行。

4.3 硬度试验

按《GB/T 231.1-2009 金属材料布氏硬度试验 第1部分：试验方法》规定执行。

4.4 拉伸试验

按《GB/T228.1-2010 金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法规定》执行。可采用薄片试样进行室温拉伸试验。

4.5 Charpy冲击试验

按《GB/T 229-2007 金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》和《GB/T 228.1-2010 金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》规定执行。冲击试样采用规定的55mm×10mm×10mm标准尺寸夏比V型缺口冲击试样，三个试样为一组。根据Q/CNPE.J104.22-2009技术条件要求，试验温度为0oC。

5 结论

综上，目前核电厂已安装埋置式地脚螺栓材料性能检测较为可行方案及步骤如下：

1）对检测范围内所有地脚螺栓进行现场里氏硬度测试和化学成分分析；

2）挑选同一批次里硬度最高和最低螺栓进行切割取样：

——当地脚螺栓可切割长度大于70mm时，可通过直接取样获取完整冲击试样；

——当地脚螺栓可切割长度小于70mm时，可考虑通过试样重组技术获取重组冲击试样。

3）实验室材料性能复验：化学成分分析、金相试验、硬度试验、拉伸试验和Charpy冲击试验。

【参考文献】

[1]王智春，等.便携式里氏硬度计检测紧固件硬度偏差原因分析，华北电力技术，No.1 2009，27.

[责任编辑：张涛]