李學(xué)躍

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程有限公司，廣東深圳518120）

真空離子金屬涂層在核電廠緊固件咬死處理中的應(yīng)用研究

李學(xué)躍

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程有限公司，廣東深圳518120）

咬死是螺紋副失效最嚴(yán)重的表現(xiàn)形式之一。介紹了一種新的金屬涂層用于核電廠緊固件抗咬死失效的處理，包括金屬涂層抗咬死失效的機(jī)理、涂層鍍膜工藝和鍍膜性能等，并通過(guò)模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了在核電廠運(yùn)行工況下該金屬涂層的螺紋副抗咬死能力，結(jié)果表明這種金屬涂層的抗咬死能力明顯優(yōu)于常規(guī)松動(dòng)劑、礦物油脂和抗咬死潤(rùn)滑劑。

金屬涂層；緊固件；咬死；真空離子鍍膜

螺紋聯(lián)接是一種廣泛使用的可拆卸固定聯(lián)接，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、聯(lián)接可靠、裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)，在核電廠各類(lèi)設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。但是，在設(shè)備安裝和運(yùn)行中，時(shí)常會(huì)發(fā)生一些螺紋副的卡澀、咬死現(xiàn)象[1-2]，通常情況下，一旦發(fā)生螺紋咬死現(xiàn)象，可以通過(guò)敲擊、加熱、小力矩反向旋擰、涂松動(dòng)劑等方法來(lái)旋出螺栓，但如果旋擰力矩超過(guò)力矩保護(hù)值就需通過(guò)切割、鉆取螺栓的方式來(lái)盡可能保護(hù)設(shè)備上的螺紋孔不受到更大的損傷，以免直接影響到設(shè)備的使用壽命和電站的運(yùn)行安全。

國(guó)外核電技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，如美國(guó)，已經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，發(fā)現(xiàn)在螺栓安裝、拆卸過(guò)程中表面涂抹潤(rùn)滑劑、鍍磷酸鹽膜等傳統(tǒng)措施對(duì)降低螺紋副防咬死的貢獻(xiàn)作用有限[3]，尤其在長(zhǎng)周期、高溫、重載荷下的螺紋副，仍經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有咬死現(xiàn)象，針對(duì)此問(wèn)題，結(jié)合螺紋副表面的配合特點(diǎn)和表面潤(rùn)滑研發(fā)了螺紋表面金屬涂層技術(shù)，有效地降低了運(yùn)行期間設(shè)備因潤(rùn)滑劑涂抹不勻、易揮發(fā)、鍍膜脫落而導(dǎo)致的卡澀、咬死風(fēng)險(xiǎn)，在螺栓拆卸后也不再需要對(duì)螺紋上的潤(rùn)滑劑進(jìn)行清理，減少了操作人員所受的劑量，縮短了清理螺紋副占據(jù)關(guān)鍵路徑的時(shí)間，為核設(shè)備的在役維護(hù)和修復(fù)節(jié)省了寶貴時(shí)間。然而，我國(guó)核電設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造起步較晚，目前解決螺紋副的卡死問(wèn)題，還主要停留在材料硬度差控制、涂抹潤(rùn)滑劑、鍍磷酸鹽膜[4]等傳統(tǒng)手段，還缺乏對(duì)高附著力螺紋表面金屬涂層技術(shù)的詳細(xì)研究。

本文將介紹核電廠緊固件螺紋表面的金屬涂層技術(shù)，闡明金屬涂層降低咬死風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)理、涂層鍍膜工藝及涂層性能，并通過(guò)模擬試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證金屬涂層緊固件在實(shí)際應(yīng)用中降低螺紋副咬死風(fēng)險(xiǎn)的能力，提高緊固件使用的可靠性。

1螺紋咬死失效機(jī)理

螺紋咬死現(xiàn)象類(lèi)似于摩擦冷熔接過(guò)程，是滑動(dòng)面間摩擦和粘合綜合作用下一種磨損現(xiàn)象[5-6]。起初在承載螺紋副間會(huì)發(fā)生微觀尺寸的材料遷移，隨著滑動(dòng)接觸區(qū)摩擦系數(shù)的增大，材料遷移逐漸加強(qiáng)，會(huì)在局部接觸面上形成微觀材料凸起，材料凸起的進(jìn)一步生長(zhǎng)會(huì)擠壓臨近區(qū)域的材料，在微小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生高能摩擦熱，這將進(jìn)一步引起材料的粘合和堆積，隨著更多的材料堆積凸起從接觸面上撕落，在局部高能摩擦熱的作用下，螺紋副在局部位置最終發(fā)生咬死[7-8]。如圖1所示。

圖1 螺紋副咬死機(jī)理示意圖

目前，設(shè)計(jì)上降低螺紋副咬死的措施主要有：增大螺紋副配合間隙；降低嚙合表面粗糙度；異種材料隔離（潤(rùn)滑劑）；限制旋擰力矩和轉(zhuǎn)速；防腐等幾方面[6-10]。

本文所介紹的金屬涂層薄膜主要從異種材料隔離螺紋表面防止損傷的角度來(lái)降低螺紋副發(fā)生卡死的風(fēng)險(xiǎn)。

2真空離子金屬涂層技術(shù)

2.1 鍍膜原理

本文所述的金屬涂層采用的是強(qiáng)化真空離子鍍膜技術(shù)，是在真空條件下，將工件（螺栓）作為陰極，外殼作陽(yáng)極。從蒸發(fā)源蒸發(fā)涂層金屬的分子通過(guò)等離子區(qū)時(shí)發(fā)生電離，金屬正離子被基板負(fù)電壓加速打到工件表面，而未電離的中性原子（蒸發(fā)物質(zhì)）會(huì)隨著離子化的蒸氣分子帶著約0.01 eV到10 eV的動(dòng)能撞擊表面，沉積在工件或真空室壁表面。其原理圖見(jiàn)圖2.

圖2 真空離子濺射金屬鍍膜原理圖

這種離子鍍技術(shù)綜合了蒸發(fā)（高沉積速率）與濺射（良好的膜層附著力）工藝的特點(diǎn)，可以得到非常薄的表面鍍層（亞微米級(jí)），具有速度快、附著力高的特點(diǎn)，同時(shí)并有很好的繞射性，可為形狀復(fù)雜的工件進(jìn)行鍍膜。此外，由于整個(gè)操作均在常溫下進(jìn)行，基底材料性能不會(huì)受到影響。

2.2 鍍膜工藝

（1）清潔要求

待涂鍍的零件表面需要用溶劑清潔并經(jīng)玻璃沙噴拋處理。在對(duì)零件表面進(jìn)行金屬涂鍍前還需最終清潔，以保證獲得一個(gè)絕對(duì)潔凈的表面。母材表面極高的清潔度對(duì)于獲得涂鍍層所需的聯(lián)結(jié)力十分必要。

（2）金屬鍍膜

螺紋表面的鍍膜工藝原理可參見(jiàn)上述2.1節(jié)。首先須在螺紋表面涂鍍基底金屬鎳（Ni），然后涂鍍銀-鈀合金（Ag-Pd）?；捉饘冁嚨淖饔檬窃鰪?qiáng)與螺栓母材的結(jié)合力，表面涂層銀-鈀合金用于潤(rùn)滑接觸面。

（3）質(zhì)量檢查

在金屬涂層完成后采用高倍率放大鏡進(jìn)行目視檢測(cè)，檢查零件表面金屬涂層是否平整光滑、均勻致密，局部無(wú)氣孔、毛刺，螺紋牙頂和牙底金屬涂層圓滑過(guò)渡，無(wú)缺陷等。目視檢查通過(guò)則金屬涂層質(zhì)量合格。

2.3 涂層性能

真空離子鍍膜是以分子形式與材料基體相連，相比汽相淀積法，通常其沖擊能量更高，與工件基體可產(chǎn)生較強(qiáng)的結(jié)合力。

因涂層金屬材料均是軟金屬，具有較好的延展性，當(dāng)螺紋副接觸表面發(fā)生高壓載荷時(shí)，附在基體材料表面的金屬涂層會(huì)發(fā)生局部塑性變形，建立防咬合屏蔽層，保護(hù)螺紋表面完好不受損傷。

在運(yùn)行使用中，該金屬涂層能在運(yùn)行溫度下保持強(qiáng)度，隔離開(kāi)損傷基體材料的雜質(zhì)，而在大部分環(huán)境中，涂層金屬是“陰極”，從而保護(hù)基體材料免受電化學(xué)腐蝕。

同時(shí)，與常規(guī)的潤(rùn)滑劑相比，金屬涂層的在高溫、重載荷、長(zhǎng)周期工況下的物理化學(xué)性能十分穩(wěn)定。

3模擬試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

模擬試驗(yàn)主要分為兩部分：常規(guī)涂層緊固件抗咬死能力試驗(yàn)和金屬涂層緊固件抗咬死能力試驗(yàn)。

試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證金屬涂層緊固件在核電廠使用工況下抗咬死失效風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際能力。

3.2 試驗(yàn)參數(shù)

模擬試驗(yàn)工況包括典型機(jī)械工況和環(huán)境工況。機(jī)械工況主要模擬螺栓旋擰（或拆卸）過(guò)程中持續(xù)加載（或卸載）的工況；環(huán)境工況主要模擬緊固件在接近核電站運(yùn)行溫度的上限、在許用的預(yù)緊載荷下經(jīng)歷一段時(shí)間后的狀態(tài)。

常規(guī)涂層和金屬涂層試驗(yàn)的材質(zhì)、規(guī)格、數(shù)量、試驗(yàn)溫度、預(yù)緊載荷、試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2.

表1 常規(guī)涂層緊固件抗咬死模擬試驗(yàn)參數(shù)

表2 金屬涂層緊固件抗咬死模擬試驗(yàn)參數(shù)

在載荷循環(huán)期間，任何一組緊固件裝、拆過(guò)程中發(fā)生咬死率達(dá)到和超過(guò)5%時(shí)，模擬試驗(yàn)終止。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

常規(guī)涂層緊固件抗咬死模擬試驗(yàn)共12個(gè)螺栓，分3組，在第一個(gè)載荷循環(huán)后3組螺栓的咬死率均已超過(guò)5%，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.

表3 常規(guī)涂層緊固件抗咬死模擬試驗(yàn)結(jié)果

從表3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，目前核電廠常用的WD-40、礦物油脂、N5000潤(rùn)滑劑在325℃、0.53σs預(yù)緊載荷下停留72 h后，其螺紋副的抗咬死能力表現(xiàn)一般。其中WD-40表現(xiàn)最不理想，2件螺栓均無(wú)法拆卸；N5000表現(xiàn)相對(duì)較好，咬死失效率仍為37.5%.

金屬涂層緊固件抗咬死模擬試驗(yàn)共有32個(gè)螺栓，分為1組，螺紋表面的鎳+銀-鈀合金涂層總厚度小于1μm，試驗(yàn)溫度325℃，初始預(yù)緊載荷為0.75σs，試驗(yàn)共進(jìn)行了8個(gè)載荷循環(huán)，前面7個(gè)循環(huán)的停留時(shí)長(zhǎng)約在95 h，為了研究更長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)下金屬涂層的抗咬死能力，第8個(gè)循環(huán)的時(shí)間周期增加到2 040 h，總的螺栓試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到了2 700 h.在第8個(gè)載荷循環(huán)后，32個(gè)螺栓的咬死率超過(guò)5%，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4.

表4 金屬涂層緊固件抗咬死模擬試驗(yàn)結(jié)果

從表4中可以看出，金屬涂層緊固件的抗咬死能力要遠(yuǎn)好于常規(guī)涂層。僅是在第5個(gè)循環(huán)的拆卸階段時(shí)，有一個(gè)螺栓咬死；第7個(gè)循環(huán)的拆卸階段有另一個(gè)螺栓咬死；第8個(gè)循環(huán)共安裝了30個(gè)螺栓，在經(jīng)歷2 040 h后，僅有2個(gè)螺栓咬死。

此外，從上述試驗(yàn)可以看出，在高溫、大載荷下，螺紋緊固件經(jīng)歷的裝、拆循環(huán)越多，在試驗(yàn)環(huán)境中的曝露時(shí)間越長(zhǎng)，因機(jī)械累積損傷而導(dǎo)致的螺栓咬死風(fēng)險(xiǎn)會(huì)逐漸增加。整個(gè)過(guò)程中，螺栓咬死在循環(huán)的前半期發(fā)生的概率很低，而在循環(huán)的后期，由于涂層損耗而導(dǎo)致的咬死風(fēng)險(xiǎn)會(huì)輕微增加，約為4%.

因此，在核電廠緊固件實(shí)際使用中，除了定期重新鍍膜金屬涂層外，還可以結(jié)合N5000潤(rùn)滑劑一起使用，不僅可以提高螺紋副的裝、拆配合性能，還能降低金屬涂層的磨損速率，延長(zhǎng)使用壽命。

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的金屬涂層采用的是強(qiáng)化真空離子鍍膜技術(shù)，這種金屬涂層主要是從軟金屬材料建立隔離層保護(hù)螺紋表面免受損傷的角度來(lái)降低螺紋副發(fā)生卡死風(fēng)險(xiǎn)的。其主要特點(diǎn)有：

（1）金屬涂層是以分子形式與材料基體相連，只有亞微米級(jí)的厚度，因此對(duì)螺紋公差配合無(wú)影響，螺紋的表面粗糙度不變。而且，相比于汽相淀積法，其沖擊能量更高，與工件基體的附著力更大。

（2）因涂層金屬材料均是軟金屬，具有較好的延展性，當(dāng)螺紋副接觸表面發(fā)生高壓載荷時(shí)，附在基體材料表面的金屬涂層會(huì)發(fā)生局部塑性變形，建立防咬合屏蔽層，保護(hù)螺紋表面完好不受損傷。

（3）與常規(guī)的潤(rùn)滑劑相比，金屬涂層的在高溫、重載荷、長(zhǎng)周期工況下的物理化學(xué)性能十分穩(wěn)定。

此外，模擬試驗(yàn)也表明，這種金屬涂層的抗咬死能力要遠(yuǎn)好于常規(guī)涂層，考慮到涂層的磨損問(wèn)題，建議在核電廠緊固件實(shí)際使用中，除了定期重新鍍膜外，還可以結(jié)合常規(guī)N5000潤(rùn)滑劑一起使用，不僅可以提高螺紋副的裝、拆配合性能和還能有效延長(zhǎng)金屬涂層的使用壽命。

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Application Research on the TreatmentofGalling Failure of Stud bymeans of Vacuum Ion MetalCoating in Nuclear Power Plant

LIXue-yue
（China Energy Construction Group Northeast Electric Power First Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000，China）

Galling is one of the most serious manifestations of stud thread failure.In this paper，a new metal coating is proposed for the treatment of galling failure of stud in nuclear power plants，including themechanism of anti-seizure failure of this metal coating，coating process and coating performance.Through several simulation tests，these results showed that the metal coating had better anti-seizure ability than the conventional loosening agent，mineral oil and anti-seize lubricant.

metal coating；stud；galling；vacuum ion plating

TG174.4

A

1672-545X（2016）12-0221-03

2016-09-03

李學(xué)躍（1960-），男，遼寧撫順人，大專(zhuān)，副總工師，高級(jí)工程師，從事核電機(jī)械設(shè)備安裝、調(diào)試、在役維護(hù)及其管理等工作。