核电项目地脚螺栓标准问题探讨

深圳中广核工程设计有限公司□陶新磊

紧固件在核电厂系统和设备中大量使用，具有密封、部件连接和支承固定等多种功能，其质量和性能构成了核电厂整体质量和安全的重要部分。经过各个核电项目的经验反馈后，其在核电工程质量中的重要性越来越得到重视。国家核安全局在2016年对核电项目紧固件的管理专门发文，强调了紧固件质量管理的重要性，对于安全重要物项的紧固增加了第三方复验，规范了检验项目，紧固件质量控制得到有效提高。但是核电项目使用紧固件标准门类众多，使用过程中仍存在一些问题。

紧固件通常分为两类：第一类是专门设计，设备制造厂采用钢棒自行加工而成，为专用紧固件，其材料化学成分和机械性能按专门标准考核，如GB/T 150.1～.4《压力容器》系列标准、ASME美国机械工程师协会标准、RCC-M法国压水堆机械设备制造与设计规范；第二类是按GB/T 3098《紧固件机械性能》系列标准等标准制造的普通紧固件，其材料化学成分和机械性能都在相应的紧固件通用标准中规定。依据标准的不同导致检验试验项目和方法的不同，尤其是对于设备法兰本体螺栓采用专门标准而地脚螺栓属于普通螺栓采用紧固件通用标准的情况，实际工作中容易造成混淆。

1 地脚螺栓检验项目缺失问题

地脚螺栓是核电设备的重要紧固和连接组件，具有高强度要求，部分重要设备的地脚螺栓还有明确的抗震要求。一旦出现质量问题，将会带来严重的安全隐患，甚至影响电站的安全运行。但是当前国内尚未有专门的核电项目地脚螺栓标准，相关专业标准尚在审查批准中，在执行标准时存在混乱，导致缺失检验项目或取样位置错误。

以 《科技视界》所载文章 《核电厂埋置式地脚螺栓材料性能检测》文中公开的地脚螺栓复验标准为例来说明在核电项目地脚螺栓执行标准方面的争议。 《核电厂埋置式地脚螺栓材料性能检测》文中某项目根据其内部标准给出了核电厂1、2、3级设备地脚螺栓入场的检验项目，包括硬度试验、化学成分分析、拉伸试验、冲击试验。事实上，对于设备的地脚螺栓，虽然核电行业没有专用的标准，但是GB/T 799—1988《地脚螺栓》对地脚螺栓的性能检测有明确的要求，规定地脚螺栓机械性能应满足GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》要求。表1对比了内部标准与GB/T 799—1988《地脚螺栓》的试验项目差异。

表1 地脚螺栓试验项目对比

通过表1对比可以发现当前部分核电项目对地脚螺栓的检验要求偏低，在当前核电项目对地脚螺栓没有专用标准的情况下，对地脚螺栓的检验要求不应当低于强制性标准GB/T 799—1988《地脚螺栓》。一般情况下，材料的淬透性好，螺栓横截面上硬度能均匀分布。只要硬度合格，强度和保证应力也能达到要求。但是当材料的淬透性差，或热处理工艺不合理，虽然按规定的部位检查，硬度是合格的，但强度和保证应力往往达不到要求。不合理的热处理工艺导致表面脱碳有可能导致紧固件螺纹强度降低甚至在安装使用中产生脱扣，造成失效。所以需要在线材退火、紧固件热处理之后分别进行脱碳检测。脱碳试验、保证载荷试验、再回火试验和表面缺陷检查对保证地脚螺栓的机械性能至关重要，缺失这些试验项目显然是不合适的。

2 紧固件力学性能检测取样位置问题

专用紧固件和普通紧固件在取样检测方法上也存在差异，在实际工作中容易被忽视。在核电项目的压力容器等设备设计和制造过程中，对于核级容器法兰上的螺栓，核级设备采用RCC-M法国压水堆机械设备制造与设计规范或ASME美国机械工程师协会标准规范，非核级设备螺栓采用GB/T 150《压力容器》系列标准中对螺栓的要求。但是设备的地脚螺栓很多时候并不划分为核级设备，不适用RCC-M法国压水堆机械设备制造与设计规范或ASME美国机械工程师协会标准规范。RCC-M法国压水堆机械设备制造与设计规范、ASME美国机械工程师协会标准、GB/T 150《压力容器》系列标准等规范的材料章节均规定了对紧固件的性能考核在棒材上取样进行力学性能检测，如检验冲击试验性能等，而GB/T 3098.1—2010中9.14.1节规定 “应从尺寸检验合格的紧固件成品上制取试件”。在实际工作中，采购和设计人员容易混淆，尤其是对于核级的容器、泵类设备其本体法兰上的螺栓依据RCC-M和ASME标准，而地脚螺栓采用非核级的标准的情况。

例如某第三代非能动核电项目采用符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》要求的棒材制造了一批地脚螺栓用于泵等核级设备地脚螺栓，材质为25Cr2MoVA，使用钢棒材料标准为GB/T 3077—2015，强度等级8.8级。该项目采用模块化建造技术，地脚螺栓作为大宗材料由建安承包商采购，与以往CPR1000核电项目随设备制造厂供货模式不同。建安承包商按材料标准GB/T 3077—2015在原材料钢棒上进行了冲击试验检测，即认为紧固件合格。这种做法显然是不符合要求的，GB/T 3077—2015和 GB/T 3098.1—2010冲击功试验方法虽然都遵从GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，但缺口形式、冲击吸收能量、试验温度均不相同，考核数据差距较大。

GB/T 3077—2015规定的棒材并不是专门用于制造紧固件的材料，虽然其可以作为紧固件的生产材料，GB/T 3098.1—2010没有限定螺栓制造厂采用何种热处理工艺，对材料的成分规定也较为宽泛，所以力学性能测试必须取在成品上，才能确保螺栓力学性能，因其不仅是对螺栓性能的考核，也是对热处理工艺和材料性能的考核。而专门设计的紧固件，都严格限定了材料的成分，限定了棒材的热处理工艺，所以在与产品相同热处理的棒材上取样测试就能够证明紧固件性能合格，例如GB/T 150《压力容器》系列标准对容器法兰使用的满足GB/T 3077—2015标准的40Cr螺栓棒材补充了最低回火温度等热处理工艺数据。但是如果混淆了这两类紧固件的不同，对地脚螺栓直接在钢棒上取样并按材料标准GB/T 3077—2015进行力学性能试验是必然错误的。

对于该案例，采用GB/T 3077—2015标准作为螺栓制造厂原材料化学成分检测等质量控制的依据，按GB/T 799—1988规定执行GB/T 3098.1—2010的规定取样和检验才是合理检验流程。

3 关于进行再回火试验必要性的探讨

部分核电项目已经增加了脱碳试验、保证载荷试验、表面缺陷检查的要求，但是在核电项目上，尚未有进行再回火试验的要求。再回火试验即对8.8级～12.9级的螺栓、螺钉和螺柱，根据实际生产中的最低回火温度低10℃保温30min，在同一试样上并在与第一次测定相同的区域，试验前后三点硬度平均值之差不得超过20HV。再回火试验可以检查因淬火硬度不足，制造厂使用过低的温度回火来勉强达到规定硬度范围的错误热处理工艺。这种错误做法，因其强度、硬度、韧性检测结果合格，往往容易被忽视。在航天、汽车行业的紧固件使用中，已出现过突然断裂的现象，这与淬火硬度不足，采用较低回火温度造成钢中残余奥氏体含量较多有关。残余奥氏体在常温下是非稳定状态，服役过程中在振动等应力作用下会造成组织转变引发螺纹失效或断裂，且由于表现为延迟断裂，容易忽视，危害性较大。较多的残余奥氏体偏聚甚至能够直接导致螺栓性能的大幅降低。虽然在核电项目尚未发生关于此类失效的事件，但是在航天、汽车行业的失效经验应当引以为鉴，尤其是在柴油机上发生过42CrMo螺栓断裂事件，对核电项目类似设备应急柴油发电机具有很高的参考价值。对于作为大宗材料采购的普通紧固件，没有专门标准对其最低回火温度进行规定，为确保螺栓的机械性能，进行再回火试验很有必要。对于专用紧固件，增加再回火试验也是对紧固件制造过程热处理工艺质量控制的有效方法，增加再回火试验也是一种有效的质量验证控制手段，尤其对于非核级紧固件不进行热处理工艺记录的情况。

4 结论

核电项目地脚螺栓机械性能检测应当满足GB/T 799—1988的规定，机械性能遵循GB/T 3098.1—2010要求。

专用紧固件和普通紧固件在适用标准上存在差异，如试验检测的取样位置的规定不同，在应用过程中应当注意区分。不仅对地脚螺栓，对其他类型紧固件亦是如此，但是地脚螺栓与设备本体螺栓紧密相连，更容易混淆。螺栓虽然在建造阶段作为大宗材料采购，但是其与传统意义上的原材料棒材、板材并不完全相同，尤其是普通紧固件，不能错误使用材料标准检验要求替代紧固件产品标准要求。

再回火试验可以检查因淬火硬度不足，制造厂使用过低的温度回火来勉强达到规定硬度范围的错误热处理工艺。这是加强紧固件质量控制的良好措施，鉴于航空、汽车行业经验，再回火试验在核电项目紧固件螺栓质量检测中的作用应当重视。