丁書海

山西魯能河曲發(fā)電有限公司 山西 河曲 036500

引言

螺栓是火電機組中廣泛使用的重要緊固件,應用于鍋爐、汽輪機設備及承壓管道法蘭、閥門等處,對機組的安全穩(wěn)定運行起著非常重要的作用。近年來,由于螺栓損壞問題,造成設備損壞或機組非計劃停運事件時有發(fā)生,嚴重影響了機組的安全穩(wěn)定運行,同時也暴露出螺栓金屬監(jiān)督方面存在一些不足。

一、螺栓損壞原因分析

近年來,我國火電機組發(fā)展迅速,600MW及以上火電機組不斷投產,火電機組數量不斷增加,同時200MW及以下機組運行部分機組已接近服役期,設備存在老化問題。螺栓作為火電機組中重要的緊固件,在設備運行過程中處于一直做功狀態(tài),承載加大的作用力,容易發(fā)生疲勞斷裂。由于螺栓損傷造成設備損壞事件或機組非停事件近年來屢有發(fā)生。

2018年3月,某電廠600MW汽輪機高調門油動機上伺服閥四根固定螺栓斷裂造成抗燃油泄漏,抗燃油系統(tǒng)油壓低保護動作造成機組非計劃停運。伺服閥斷裂的螺栓材質為35Cr Mo,等級為8.8級,規(guī)格為M9.3×50mm。事件發(fā)生后,由專業(yè)金屬監(jiān)督人員對斷裂螺栓進行了檢測,結果顯示螺栓的主要化學成分和硬度等各項指標均符合GB/T3098.1－2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》的要求,螺栓螺紋牙底存在折疊缺陷,且該處為應力集中區(qū)域,易形成裂紋源,同時帶有折疊缺陷的螺栓因為材料脆性較大,難以抵抗裂紋擴展,發(fā)生快速的脆性斷裂。

根據螺栓損壞事件,對螺栓損壞原因進行了分析總結,從材質方面考慮,螺栓損傷形式主要蠕變和疲勞兩種形式,發(fā)生斷裂主要形式為蠕變脆性斷裂和疲勞斷裂；從作用力方面考慮,螺栓使用過程中主要受到軸向拉伸應力及偏心時受到的附加彎曲應力。造成螺栓損壞可能存在以下主要原因：

1、螺栓材料達不到要求。選用等級偏低,強度不能滿足要求,同時鋼材質量不良,內部存在非金屬夾渣物,易發(fā)生螺栓脆性斷裂。部分螺栓生產廠家為降低生產成本,選用的螺栓鋼材質量不良,未進行有效檢測,造成生產出來的螺栓存在缺陷；在選用螺栓時,為節(jié)約成本,選用的螺栓與實際工作溫度、壓力接近,未提高等級選用。

2、螺栓的加工質量不良。在加工時造成螺栓塑性降低、螺栓、螺母配合不到位等缺陷。如在加工過程中,加工精度控制達不到要求,不能有效控制,造成螺栓螺桿、螺母配合間隙偏大,影響螺栓強度,同時部分合金螺栓需要進行熱處理,而生產廠家未嚴格按照熱處理要求進行處理,造成螺栓在投運后發(fā)生損壞問題。

3、螺栓結構設計不合理。螺栓根部圓角半徑太小,在局部區(qū)域造成嚴重應力集中,都會促使螺栓過早的損壞[1]。一般為了減少應力集中情況的發(fā)生,螺紋牙底應加工呈圓弧狀,圓弧半徑不應小于0.1螺距,同時螺紋和螺桿之間的退刀槽也應該圓弧過渡,圓弧半徑約為0.3倍的螺栓直徑。

4、未嚴格執(zhí)行安裝、檢修工藝。緊固螺栓時力矩過大,預緊力過大增加了拉應力、扭應力和彎應力,易造成螺栓斷裂,同時由于人為不注意也會造成螺栓損傷；在螺栓安裝時,螺桿與法蘭平面不垂直、螺母支撐面與法蘭不平行等均會造成螺栓受到偏心負荷影響,產生附加彎曲應力；在檢修回裝時不能將螺栓表面氧化膜、雜物及時清理,使螺栓表面產生毛刺造成螺紋損傷,安裝時未在螺栓上涂抹抗咬合劑等。同時在螺栓安裝時,同一位置處螺栓選用不同材質和強度的等級的螺栓,在使用過程中也易發(fā)生螺栓損壞。

5、螺栓在惡劣的運行環(huán)境下工作易發(fā)生損壞。一是在運行過程中,設備產生振動造成螺栓處于高頻振動狀態(tài),二是部分螺栓長期處于高溫、高壓環(huán)境下,且部分設備頻繁啟動,使螺栓在變工況下運行,螺栓受到熱疲勞應力而產生疲勞裂紋。

通過以上原因可以看出,對螺栓開展有效的金屬監(jiān)督工作非要必要。

二、螺栓金屬監(jiān)督常用方法

對螺栓進行有效的金屬監(jiān)督是目前各火力發(fā)電廠一直開展的工作,在維護過程中主要采用宏觀檢查、硬度測量、著色檢驗等方式,在出現(xiàn)螺栓斷裂問題或機組檢修期間,對螺栓檢查重點采用超聲波檢驗、著色檢驗、硬度測量及金相檢驗。

1、宏觀檢查。檢修人員肉眼對螺栓進行檢查,檢查螺栓螺紋有無損傷、螺桿是否存在裂紋及螺桿與螺紋配合是否正常等。該種檢查方式簡便易行,技術含量比較低,易發(fā)現(xiàn)表面存在的問題,但需要檢查人員有一定的責任心。

2、超聲波探傷或著色無損檢驗。超聲波檢測靈敏度高、速度快、對宏觀裂紋缺陷檢出率高,對人體無損傷；缺點是要求工作表面平滑、富有經驗的檢驗人員才能辨別缺陷種類、對缺陷沒有直觀性；超聲波探傷適合于厚度較大的零件檢驗[2]。著色檢驗是滲透探傷的一種,是將溶有彩色染料的滲透劑滲入工件表面,使缺陷內的彩色油液滲至表面,根據彩色斑點或條紋發(fā)現(xiàn)和判斷缺陷。其優(yōu)點是操作方便快捷,顯示直觀,檢測成本低,適用于任何材質；缺點是只能檢測表面開口的缺陷,對表面光潔度有要求,不適于檢查多孔性疏松材料制成的工件和表面粗糙的工件,靈敏度低,且不能探測缺陷深度。

3、金相檢驗。主要是運用二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和計算來確定合金組織的三維空間形貌,從而建立合金成分、組織和性能間的定量關系。在火力發(fā)電廠螺栓檢測中,主要用來檢驗合金螺栓材質組織是否粗大或有無網狀晶界。由于現(xiàn)場條件限制,金相只能檢驗螺栓的光桿部分或端部,無法檢驗螺紋根部,因此該項檢驗只能作為評定材質性能的一個參考指標,不能檢測螺栓蠕變損傷。通常火力發(fā)電廠中一般將金相組織檢測委托電科院或專業(yè)檢測部門進行。

4、硬度檢測。硬度是材料抵抗更硬物壓入其表面的能力,是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標,能夠比較客觀地反映材料力學性能。硬度較低代表其強度較低,硬度較高代表著其韌性可能較差。螺栓硬度檢測快速、經濟,是力學性能試驗的常用方法,但使用不同測量設備時會造成其測量值不同,影響其準確性,同時硬度值只能用于間接評價材質性能,而不能用于評定螺栓蠕變損傷的程度。

5、螺栓蠕變伸長量測量。DL/T439－2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術導則》“技術檔案管理”規(guī)定,新螺栓在使用前應進行螺栓蠕變初始長度監(jiān)督,運行過程中技術檔案應包括蠕變測量數據,高溫螺栓蠕變伸長量測量對判定蠕變損傷十分有效。

三、螺栓金屬監(jiān)督存在問題及改進措施

在火電機組正常運行過程中,雖然開展了螺栓金屬監(jiān)督工作,但仍存在以下不足：

1、對新采購的螺栓檢查不到位。新螺栓到廠后,只對高溫高壓螺栓進行檢查,其他螺栓不進行檢查或抽查率比較低,缺少螺栓質量證明書或檢驗單,無光譜、無損檢驗、硬度試驗等驗收資料；同時在螺栓保管時未做好記錄。

2、螺栓金屬監(jiān)督臺賬不健全。在設備檢修過程中,部分電廠只注重主要設備、零部件的臺賬記錄,對螺栓未建立臺賬或有臺賬但記錄不齊全,更換、檢測臺賬不能及時進行記錄,有的電廠對螺栓金屬監(jiān)督工作不重視,無臺賬記錄。

3、螺栓金屬監(jiān)督工作不能嚴格執(zhí)行相關標準。DL/T439－2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術導則》第4.1.1條規(guī)定“到貨驗收時應依據GB/T 90.1、GB/T 90.2的要求檢查包裝質量,根據產品標準的規(guī)定檢查產品的標識、數量和產品質量檢驗單(包括化學成分、低倍和高倍組織、力學性能)”1。有些螺栓制造廠無產品質量檢驗單或產品質量檢驗單不符合要求,未進行相關檢驗,而電廠在驗收過程中存在把關不嚴問題,未對相關內容進行檢查。同時在設備投運后,第4.2.3條規(guī)定“A級檢修時,對M32級以上的高溫螺栓,應根據螺栓的規(guī)格和材料,至少抽取10%數量螺栓進行金相組織檢驗”[4]。在實際檢修工作中,部分電廠由于缺少專業(yè)檢測人員和設備,不能嚴格按照10%的標準進行抽樣檢查。

4、螺栓金屬監(jiān)督缺少技術人員和設備。部分電廠對金屬監(jiān)督工作重視程度不足,專業(yè)金屬監(jiān)督人員數量不足,且部分人員未進行專業(yè)的培訓,技術水平不能滿足檢查要求；同時對金屬監(jiān)督所用的設備配備不齊全,部分檢測項目無法完成。

針對螺栓金屬監(jiān)督存在的以上問題,提出以下建議：

1、加強對新螺栓的檢查驗收。各火力發(fā)電廠把好螺栓入廠關,制定螺栓到貨驗收標準,明確檢查內容、標準,在新螺栓到貨后,嚴格按相關標準進行驗收,提高螺栓入廠合格率。

2、加強對螺栓金屬監(jiān)督的重視程度

(1)建立、完善螺栓金屬監(jiān)督臺賬。對金屬監(jiān)督臺賬進行全面梳理,未建立螺栓金屬監(jiān)督臺賬的及時建立臺賬,已建立臺賬的進行完善,特別是對高溫高壓螺栓和重要設備處使用的螺栓,確定螺栓材質、強度等級、使用年限、檢驗情況等,確保臺賬能有效指導檢修工作。

(2)嚴格執(zhí)行螺栓檢測相關標準。在檢修過程中,嚴格按相關標準對螺栓進行相應的檢測,同時對頻繁拆卸的螺栓,適當縮短檢測周期；在螺栓檢測過程中,嚴格執(zhí)行相關標準,確保結果準確；對檢測中發(fā)現(xiàn)的問題,及時進行處理,不能置之不理。

(3)提高非高溫高壓螺栓的重視程度。各電廠提高非高溫高壓螺栓的重視程度,重點做好重要設備緊固螺栓的檢查,如伺服閥螺栓,在螺栓選用及使用時,一是根據設備運行工況,選用高強度、韌性及抗疲勞性能較好的螺栓,最好選用高于使用條件一個等級的螺栓,二是對重要設備的螺栓進行統(tǒng)計梳理,DL/T439－2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術導則》中,只是對工作溫度在400℃以上螺栓的檢驗和處理做出了規(guī)定,對使用溫度低但非常重要的螺栓未做要求,建議各火力發(fā)電廠將重要設備螺栓檢測納入金屬檢測內容并定期檢測；三是在螺栓使用過程中嚴格按檢修工藝執(zhí)行,特別是嚴格控制好螺栓緊固力矩,防止損壞螺栓。

(4)做好金屬監(jiān)督人員的管理。為有效開展螺栓金屬監(jiān)督工作,建議各火力發(fā)電廠設立金屬監(jiān)督專責人,人員數量滿足現(xiàn)場要求,并加強對人員的技術培訓,確保各項檢測結果真實、準確；同時配備滿足檢驗要求的設備,對設備定期檢測,確保設備的可靠性。

四、結束語

隨著設備服役年限的增長及設備使用條件的變化,螺栓損壞問題逐漸突出,螺栓損壞后會造成緊固件密封失效,影響設備安全運行,如發(fā)生在設備內部,還會造成設備損壞,因此開展螺栓金屬監(jiān)督工作、對螺栓損壞原因進行分析研究非常必要,提前檢測螺栓存在的問題,提前預防、處理,可以消除存在的隱患,有效保障設備、機組的安全運行。本文重點介紹了螺栓損壞原因、螺栓檢測常用方法及存在的問題,并提出了改進措施。上述總結還存在不足,需要在以后的工作中加強對螺栓金屬監(jiān)督工作的研究,不斷提高設備的可靠性,減少事故發(fā)生率。