关于核级紧固件的性能要求概述

国核工程有限公司 张晓杰

关于核级紧固件的性能要求概述

国核工程有限公司 张晓杰

紧固件在核电厂安全系统和设备中大量使用，其质量与性能对核电厂安全系统和设备执行核安全功能有着重要作用。文章将总结归纳各相关标准规范中关于紧固件性能的要求，为加强紧固件的质量管理提供指导和帮助。

核级紧固件；性能；RCCM；ASME；ASTM

紧固件在核电厂安全系统和设备中大量使用，承担了承压密封、部件连接和支承固定等功能，其质量与性能对核电厂安全系统和设备执行核安全功能有着重要作用。然而在核电厂建设和设备制造监管过程中发现，紧固件的设计、采购、制造、安装、验收等方面存在薄弱环节，必须加以高度重视，切实采取有效措施进行改进和完善。2016年8月17日，国家核安全局先后发布了国核安发[2016]195号《关于进一步加强核电厂紧固件等大宗材料质量管理的通知》，国核安发[2016]284号《关于开展核电厂紧固件核查工作的通知》，要求进一步加强核电厂紧固件质量管理。本文将总结归纳各相关标准规范中关于紧固件性能的要求，为加强紧固件的质量管理提供指导和帮助。

1 国家核安全局要求

[2016]195号《关于进一步加强核电厂紧固件等大宗材料质量管理的通知》对紧固件等大宗材料质量管理提出了进一步要求，涉及设计、采购、制造、安装及验收等方面。主要要求有：①安全重要紧固件及其附件的设计、制造和安装等活动，均应按HAF003及相关导则建立并实施质保体系。②在安全分析报告中增加对紧固件的相关描述。③设计单位应按紧固件的规范分级和质保等级进行设计并提出明确的设计要求。④应对紧固件制造单位进行合格供方评价和监察，并加强制造过程的质量管理和控制。⑤紧固件使用前应开展入厂（场）复验工作，未进行复验或复验不合格批次的紧固件不得使用。⑥如紧固件失效，应进行失效分析。

[2016]195号《关于进一步加强核电厂紧固件等大宗材料质量管理的通知》的附件还给出了核电厂紧固件入厂（场）复验指南，要求复验单位是依法通过计量认证和国家相关机构认定，独立于采购单位和制造单位的检验机构。复验检验项目和抽样数量由设计单位根据紧固件的分类及规范分级在紧固件采购技术条件中确定。并对复验项目和抽样数量提出了要求。抽样水平是根据ASTM F1470-12《紧固件规定的机械性能和性能检验的抽样标准方法》规定结合国内核电实践形成的试验项目、抽样水平和抽样数量。复验指南参照国标GB/T 3098-2010规定。

表1 试验的螺栓材料所要求的Cv值

表2 试验的螺栓材料所要求的Cv值

2 RCCM规范要求

RCCM规范中紧固件相关的要求主要有M5110、M5140和M5150。M5110和M5150分别规定了用于制造1、2、3级设备中螺栓和驱动杆棒材的采购规范和用于制造S1、S2级轴、拉杆和支撑螺栓棒材的采购规范。M5140规定了压水堆部件中的1、2、3级螺栓、螺钉、螺杆及螺母的采购规范。

2.1 M5110制品采购规范用于制造1、2、3级设备中螺栓和驱动杆的轧制或锻造棒材

M5110规定了制作螺栓和螺杆用棒材的冶炼工艺，化学成分分析，制造、力学性能、表面检测、体积检测、不可接受区的清理和修补、尺寸检查、标识等多方面的内容。力学性能部分规定了硬度、拉伸和冲击试验的取样方法，试验方法，验收标准，复验，重新热处理等[1]。

试料应取自棒材的延长部分。对于非加工硬化的棒材，在每批中取4%（至少为2根）的棒材进行试验，其中2%为该批中硬度最高的棒材，另外2%为该批中硬度最低的棒材；对于经加工硬化的奥氏体不锈钢棒材，若已逐根进行冷加工，则试验在每根棒上进行；若该批是从轧制的、非轧制的和冷加工的棒材顶部依次切取的，则试验在该批的一根棒材上进行。 RCCM中的所谓批是指来自同一熔炼炉号、经相同制造过程、同炉热处理（在使用连续炉的情况下）或经过相同的热处理制度的截面尺寸相近的棒材。

每批中的每根棒材都应测硬度值。应对每个试料进行1组力学性能试验，包括室温拉伸和高温拉伸试验、冲击试验，冲击试验每组3个试样。按MC1000进行硬度、冲击和拉伸试验，如果试验结果不满足，可进行复验。允许2次重新热处理。

M5110附件II列出了按照级别和直径对制作螺栓和螺杆用棒材进行的检测目录。M5110附表III-VIII列出了碳钢、合金钢、马氏体不锈钢、非加工硬化的奥氏体不锈钢、加工硬化的奥氏体不锈钢、特殊牌号不锈钢等的冶炼工艺，化学成分要求、热处理、力学性能指标。

2.2 M5150规定了用于制造S1、S2级轴、拉杆和支撑螺栓的轧制或锻造棒材的冶炼工艺、化学成分要求、制造、力学性能、表面检测、体积检测、不可接受区的清理和修补、尺寸检查、标识等多方面的内容。力学性能部分规定了硬度、拉伸和冲击试验的取样方法，试验方法，验收标准，复验，重新热处理等[2]。

表3 螺栓连接件材料所要求的Cv值

表4 螺栓连接件材料夏氏V型缺口冲击试验值要求

每批的每根棒材都要测定硬度值。每根棒材进行硬度测量后，在每批中取4%（至少为2根）的棒材进行试验，其中2%为该批中硬度最高的棒材，另外2%为该批中硬度最低的棒材。应该在截取的每一根试料上进行1个试样的室温拉伸试验，对于φ≥25mm的棒材，还需做1次0℃的KV（3个试样）冲击试验。

试验方法按MC1000。试验结果不满足，可进行复验。允许2次重新热处理。

M5150附件I列出了按照级别和直径对棒材进行的检测目录。附表II-III分别列出了碳钢、合金钢的冶炼工艺，化学成分要求、热处理、力学性能指标。

2.3 M5140制品采购技术规范压水堆部件中的1、2、3级螺栓、螺钉、螺杆及螺母

M5140规定了压水堆部件中的123级螺栓、螺钉、螺杆及螺母的制造、化学成分要求、交货热处理状态、力学性能、表面检测、体积检测、不可接受区的清理和修补、尺寸检查、标识等多方面的内容。力学性能部分规定了硬度、拉伸和冲击试验的取样方法，试验方法，验收标准，复验，重新热处理等[3]。

对螺钉、螺栓和螺母，如果棒材以热处理状态交货且制造后不再作热处理，则不要求验证其力学性能。若在制造后进行热处理，则供货商应进行力学性能试验。测定的性能指标值应符合棒材采购技术规范中针对所用钢种所规定的要求值。试验项目和数量如下：

螺母

应对各批的每根棒材作硬度试验。

当设备规格书有规定时，应从制造螺母的每批棒材中随机选取钢坯截取试样来测定断面收缩率和伸长率。此钢坯应与螺母一起经过同炉热处理。

螺钉、螺栓和螺杆

a)每批试验的数目

为检测每批棒材的均匀性，每批的每根棒材都应测定硬度值。一般允许30HB的偏差

每批试验数目按棒材数目作如下规定：每批棒材数量小于等于500，2组试验，每批棒材数量大于500，4组试验。

b)需做的试样

除在每根棒材上做硬度试验外，每组试验还应包括

——1个室温拉伸试验；

——如果涉及温度足够高，以致应用此温度下的抗拉强度来确定棒材尺寸时，则需做1个350℃高温拉伸试验；

——对φ≥15mm的产品做1组冲击试验，规定如下：

当室温拉伸试验中的A%小于45%时，对奥氏体不锈钢棒材在室温条件下的KV（3个试样）冲击试验。

对碳钢、低合金钢和马氏体不锈钢棒材，在0℃时做KV（3个试样）冲击试验。

试验方法按MC1000。试验结果不满足，可进行复验。允许1次重新热处理。

3 ASME和ASTM规范要求

3.1 ASME中的要求

ASME第Ⅱ卷第1分篇表3和表4列出了关于螺母或螺栓用材料的规格要求，在第II卷材料篇相对应的标准中是螺栓或螺母材料的具体性能要求[4]。

ASME III CC-2500衬里材料断裂韧性，要求每批衬里螺栓连接材料应做夏比V型缺口冲击试验。CC-2521.1规定了冲击试验的材料范围，CC-2523.1， CC-2524.3，CC-2525.4，CC-2527.2分别是对螺栓连接材料冲击试验取样、冲击试验要求及验收准则、试验的次数、复试等相关要求。试验可在金属最低工作温度或在低于金属最低工作温度30℉（17℃）或更低温度下进行。在金属最低工作温度下进行试验时，应测定横向膨胀量和吸收能量值，三个试样均应符合表1的要求。在低于最低金属工作温度30℉（17℃）或更低时，应测量横向膨胀和吸收能量，所有三个试样应满足表2中的要求。

ASME III NB-2000, NC-2000, ND-2000提出了对螺栓连接用材料规格、性能试验试样或试件的制备、要求进行冲击试验的范围、冲击试验取样、冲击试验要求和验收标准、试验次数、检测及修补等方面的要求。

对于螺栓连接件材料包括双头螺栓、螺母和螺栓，三个CV试样的试验温度应不高于螺栓预紧温度或最低使用温度（取两者中较小值）。NB-2333和NC-2333要求三个试样都应满足表3的要求，ND-2333要求三个试样都应满足表4的要求。

3.2 ASTM中的要求

《ASTM F1470-12规定机械特性和性能检验用紧固件抽样指南》规定了抽样方法以确定紧固件的机械和物理性能、涂装等质量要求是否可接受[5]。该指南提供了两种方案，detection process和prevention process。对于不同的性能总共有ABCD四级抽样水平，A最严格，A到D依次变松。detection process方案的大部分检查项均比prevention process高一级抽样水平。该抽样指南可用于制造方的最终检查方案或用于买方或使用方的接收检查方案。如果制造方的质保体系符合ASQ Q9001，ISO 9001，或按照F2688，则制造方可选择detection process或prevention process抽样方案进行检查和试验，或购买方已指定抽样方案，否则应采取detection process抽样方案。

4 国标要求

《GB/T3098.1-2010紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》规定了由碳钢或合金钢制造的、在环境温度为10℃～35℃条件下进行测试时，螺栓、螺钉和螺柱的机械和物理性能[6]。GB/T3098.1适用于粗牙螺纹M1.6～M39，细牙螺纹M8*1～M39*3。GB/T3098.1规定了各性能等级的紧固件用材料的化学成分极限和最低回火温度，各性能等级的螺栓、螺钉和螺柱的抗拉强度、屈服强度、保证应力、断后延长率 、断面收缩率、头部坚固性、硬度、脱碳、破坏扭矩、吸收能量、最小拉力载荷、保证载荷等物理和机械性能。还规定了各种试验方法及其适用性。

5 总结

RCCM在相关的制品采购规范中规定了不同等级紧固件的性能要求，包括及试验方法和验收标准等。ASME规范中CC-2000，NB-2000，NC-2000，ND-2000分别规定了不同等级紧固件断裂韧性要求，包括试验方法和验收标准等，在具体的材料章节有关于紧固件用材料的各项性能要求。ASTM F1470-12给出了紧固件性能检验的抽样指南，主要用于紧固件性能的复验。GB/T3098.1-2010则主要注重于对螺栓、螺钉和螺柱等紧固件成品性能检验要求和试验方法。

[1]RCCM M5110, 制品采购规范用于制造1、2、3级设备中螺栓和驱动杆的轧制或锻造棒材[S].2002.

[2]RCCM M5150, 制品采购技术规范 用于制造S1、S2级轴、拉杆和支撑螺栓的轧制或锻造棒材[S].2002.

[3]RCCM M5140, 制品采购技术规范 压水堆部件中的1、2、3级螺栓、螺钉、螺杆及螺母[S].2002.

[4]ASME III, RULES FOR CONSTRUCTION OF NUCLEAR FACILITY COMPONENTS[S].2004.

[5]ASTM F1470-12, Standard Practice for Fastener Sampling for Specified Mechanical Properties and Performance Inspection[S].2012.

[6]GBT3098.1-2010，紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱[S].北京：中国标准出版社，2010.