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核电厂低压进汽导管法兰螺栓断裂的原因研究

2020-08-28 186 上传者：管理员

摘要：某核电厂低压进汽导管法兰螺栓在拆卸时发生断裂,采用化学成分分析、硬度测试、金相检验、断口分析、螺栓受力分析等方法对螺栓的断裂原因进行了分析。结果表明：螺栓螺母硬度不匹配使得该低压进汽导管法兰螺栓咬死,拆卸过程中在过大的扭转剪切力作用下螺栓发生了韧性断裂。

关键词：
剪切
应力集中
扭转
螺栓
韧性断裂
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螺栓连接是工程中应用最广泛的一种可拆连接，特别是高强螺栓连接，由于其体积小、连接刚度大、连接质量易于保证而广泛应用于核电站钢结构、管道等构筑物。紧固螺栓在工作时主要承受拉应力和剪切应力，一旦出现螺栓松动、设备周期性振动等情况则受力更为复杂，其服役过程中除受到预紧拉应力外，还要承受因螺栓松动或设备振动而引起的扭转和冲击载荷[1,2,3,4,5]。这就为螺栓失效增加了更大的安全隐患，甚至影响电站的安全运行[6,7,8,9]。

某核电站低压进汽导管法兰连接螺栓在拆卸时发生断裂，断裂的螺栓位于汽轮机低压进汽管道中部法兰处。低压进汽管道额定蒸汽温度为265。2℃，额定蒸汽压力为1。008MPa。汽轮机上共有6根低压进汽导管，一个法兰上有40颗螺栓，总共240颗螺栓。该法兰螺栓每次解体检修都有约1/4的螺栓在拆卸时发生断裂，断裂位置多在螺母和法兰交界的应力集中处。法兰螺栓采用六角头螺栓，规格是M30mm×200mm，材料是25Cr2MoVA钢，螺母材料同为25Cr2MoVA钢。笔者对断裂螺栓进行了一系列理化检验和应力分析，以期此类事故不再发生。

1、理化检验

1.1 化学成分分析

螺栓和螺母材料的化学成分均符合25Cr2MoVA钢的企业要求，如表1所示。

1.2 硬度测试

螺栓和螺母的硬度如表2所示，可知螺母的硬度高于螺栓，且螺栓和螺母的硬度均不满足相应材料强度对应的硬度要求。

表1螺栓和螺母的化学成分（质量分数）

表2螺栓和螺母的硬度测试结果

1.3 金相检验

螺栓的显微组织为经过调质处理的回火索氏体组织。非金属夹杂评定结果为：A类夹杂1级和D类夹杂1级，非金属夹杂在正常范围内，如图1所示。

图1螺栓的显微组织形貌

1.4 断口分析

螺栓断口形貌如图2所示，可见螺栓断口表面平整，无腐蚀产物存在，具有明显的裂纹源区、裂纹扩展区和终断区，裂纹起源于螺纹根部，呈旋转状向螺栓内部扩展，终断于螺栓心部，呈现一定的扭转塑性变形特征。裂纹源区为细小的韧窝形貌，纤维扩展区面积较大，为拉长的韧窝形貌，快速扩展区面积较小，为准解理形貌，终断区为韧窝形貌。

图2螺栓断口形貌

1.5 断裂螺栓受力分析

根据方栋等[10,11,12,13,14]的研究，当轴向拉伸载荷作用于螺栓的各扣螺纹时，其所承受的应力是不均匀的，距离法兰支撑面最近的螺栓与螺母啮合的第一扣螺纹承受的载荷最大，随着距离支撑面越远各扣螺纹受力依次减小。这意味着螺栓与螺母端面接触位置第一扣螺纹根部的应力集中最为严重，实际螺栓断口位置位于螺栓与螺母端面接触位置第一扣螺纹根部，与该规律相符合。对剪切载荷作用下的螺栓绘制应力云图，螺栓轴向和纵向剖面应力云图如图3所示。可见螺栓表面附近的应力最大，由螺栓表面至心部应力逐渐减小。这与表面启裂、终断区位置偏于心部的螺栓断口特征基本一致。

图3螺栓轴向和纵向剖面应力云图

2、分析与讨论

低压进汽导管法兰螺栓的断口整体平整，呈现明显的漩涡状形貌，断口微观形貌呈现明显韧窝特征，且远离断面中心的韧窝显著拉长，为典型的扭转切变韧性断裂特征，裂纹源位于螺栓表面，终断区在螺栓的中心附近。螺栓拆卸扭矩过大会导致螺栓发生扭转韧性断裂，而螺栓咬死会导致拆卸扭矩过大，可能导致螺栓咬死的因素有以下3点。

(1）螺母硬度不符合标准要求。为防止螺栓咬死和减少磨损，选材时螺栓和螺母应采用不同钢号。由于螺母的工作条件较螺栓好，要求螺母材料强度比螺栓低一级，硬度低20～50HB。而分析结果对比发现，螺母硬度值反而远比螺栓的硬度值高，这可能是导致螺栓咬死的主要原因。

(2）紧固扭矩过大。由于螺栓和螺母的变形不同，螺栓的承载旋合螺纹上的载荷分布是很不均匀的。在弹性范围内，靠近螺母支承面的第一圈螺纹的载荷最大，而其余旋合螺纹的分担载荷依次减少。过大的紧固力矩会导致螺牙发生局部塑性变形，导致应力集中的螺纹损伤，螺纹咬死后拆卸扭矩过大可能导致螺栓断裂。检查发现安装规程中对螺栓安装的最终力矩要求过大。

(3）没有涂抹防咬剂。高温螺栓安装前对螺纹部分适当均匀地涂抹防咬润滑剂是极为重要的，导汽管法兰螺栓安装前如果没有进行防咬润滑，或者防咬润滑不当，可能导致螺栓在高温环境下和螺母咬死。检查安装规程中没有明确防咬剂涂抹流程。

3、结论及建议

螺栓螺母硬度不匹配使得该低压进汽导管法兰螺栓咬死，拆卸过程中在过大的扭转剪切力作用下螺栓发生了韧性断裂。

建议选用满足企业标准要求的螺栓和匹配螺母；优化螺栓拆装规程，统一拆装要求；在满足工况要求的前提下，选用最低的预紧力，降低螺栓咬死风险；在安装时应在螺栓工作区域均匀涂抹高温防咬剂。

参考文献：

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[5]孙明道,田金涛,肖鹤旋,等.252kVGIS机构止动螺栓的断裂失效分析[J].理化检验(物理分册),2018,54(8):602-606.

[6]李伟光,孔全兴,杨宏欢,等.核电站螺栓腐蚀与防护[J].全面腐蚀控制,2019,33(4):69-72.

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[8]王庆田,胡朝威,李燕,等.核电机组堆内构件螺栓断裂事故分析与改进研究[J].中国核电,2018,11(4):481-488.