一起合金双头螺栓过扭矩断裂事件
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摘要： 某电厂等级检修中发生一起合金双头螺栓断裂事件。现场排查对比分析，紧固螺栓采用的气扳机规格太大造成过扭矩，导致合金双头螺栓拉伸塑性变形，个别累计紧固时间长、累计扭矩过大最终导致其中一个螺栓断裂。更换断裂的螺栓，机组启动运行。不同规格螺栓紧固应选择适配规格的气扳机，科学操作，避免累计时间长、累计扭矩过大的问题。建议检修工艺中增加螺栓紧固前后长度测量对比过程，以及排查在役设备可能存在塑性变形损伤螺栓的工作。
关键词： 合金螺栓；风动扳手；塑性变形
1. 概况
河南省某电厂，2×210MW供热机组，哈尔滨汽轮机厂C160/N210-12.75/535/535型超高压、一次中间再热、双缸双排汽、抽汽凝汽式汽轮机。#1、2机组分别于2008年3月、6月投入商业运营。
该机组中压导汽管道额定工作压力2.53MPa，额定工作温度为535℃，导汽管道法兰紧固双头螺栓规格为M30×150，材质为20Cr1Mo1VTiB。
#1机组2012年完成首次A修，2014年完成首次B修，2018年9-10月份，完成第二次B级检修。
2018年10月11日，该电厂#1机组B修回装过程，在进行中压导汽管道法兰双头螺栓紧固时，采用上海民生电器厂生产的BE56型号储能冲击式气扳机（也即风动扳手）紧固螺栓，发生一起合金双头螺栓一根断裂的事件。
2018年10月24日机组启动至发稿时，该电厂#1机组运行正常，待供热期后择机停机更换所有存在塑性变形的双头螺栓。
2. 断裂螺栓断口特征情况
断裂中压导汽管螺栓断口发生在双头螺栓中间光杆处，断口基本在光杆的中间部位，螺栓断口处两端光杆均明显拉伸变细，呈现锥台状，拉伸导致断口处直径最细。断口处无夹渣等材质缺陷，无老、旧裂纹痕迹。
3. 螺栓断裂原因分析
哈汽厂设计中压导汽管道法兰紧固双头螺栓规格为M30×150，材质为20Cr1Mo1VTiB。现场光谱分析及查看该批次螺栓生产厂家材质报告，材质为20Cr1Mo1VTiB一致、正确。虽然螺栓规格小，现场无法进行硬度检测，但是查看厂家报告显示检测材料硬度约HB275（该材质硬度值标准为HB255-293）合格，热处理工艺符合要求，拉伸强度等指标在合格范围内。
断裂螺栓断口发生在双头螺栓中间光杆处，螺栓断口处两端光杆均明显拉伸变细，断口处无夹渣等材质缺陷，无老、旧裂纹痕迹，通过断口特征判定，该螺栓拉伸塑性变形过大而最终断裂。
螺栓加工制造厂家提供的出厂检测报告，热处理工艺符合要求，硬度合格，拉伸强度等指标在合格范围内，说明螺栓的材质及加工制造质量合格，满足使用要求。螺栓被拉伸后均匀的塑性变形，拉伸塑性变形逐步增大，先变细最终断裂，均匀的、逐步变细的缩颈特征，一方面充分说明螺栓材料有良好的塑性和韧性，另一方面说明紧固过程中扭矩载荷过大引起螺栓受到的拉伸应力过大，已超过其自身允许的屈服强度，产生塑性变形，最终超出抗拉强度拉伸塑性变形过大而断裂。
4. 螺栓紧固扭矩过大的原因分析
4.1螺栓紧固前后光杆处直径及总长度变化证明扭矩过大
同批次新购双头螺栓安装紧固过程中，采用同一台BE56型号储能冲击式气扳机紧固螺栓时，会导致螺栓光杆处直径变细约0.5mm；长度方向变长0.5-1mm，存在明显拉伸塑性变形情况，证明BE56型号气扳机紧固M30螺栓时存在扭矩过大问题。
4.2 存在BE56型号储能冲击式气扳机规格偏大过扭矩问题
《国产冲击式气扳机述评》，BE56型号储能冲击式气扳机紧固螺栓适合螺纹范围应该是M44-M56，其验收扭矩为4903N.m，实际现场气扳机铭牌标注拧紧扭矩高达6370N.m，而M30螺栓应采用BE30型号储能冲击式气扳机，其验收扭矩为883N.m，二者验收扭矩相差5-6倍，则因BE56型号气扳机规格偏大，造成紧固M30螺栓时存在扭矩过大问题。
4.3冲击式气扳机工作特性存在扭矩过大风险
工作过程中冲击式气扳机输出扭矩不稳定，随着工作时间的延长而增加，也即随着持续累计时间的延长，冲击式气扳机输出的累计扭矩会增大，所以实际操作时不易控制，即使配备有定扭矩输出控制机构，效果也不理想，故，冲击式气扳机累计扭矩增大的工作特性易造成扭矩过大。
综上所述，一方面因BE56型号气扳机规格偏大，造成紧固M30螺栓时存在扭矩过大问题，另一方面，工作过程中冲击式气扳机输出扭矩不稳定存在扭矩偏大的情况，再一点，冲击式气扳机累计时间持续长、累计扭矩增大的工作特性更易造成扭矩过大，三方面因素作用，造成M30合金双头螺栓因扭矩过大而拉伸塑性变形，最终因其中一根紧固累计时间过长而累计扭矩过大导致其断裂。
5. 螺栓断裂事件处理情况
首先，该电厂#1机2012年首次A修，2014年首次B修，2018年第二次B修，均是同一个检修公司，同一台BE56型号气扳机，相同的紧固工艺，该中压导汽管道法兰螺栓紧固因扭矩过大而拉伸塑性变形的问题应该是存在已久。如表1数据显示，螺栓编号为8、9的螺栓，即是#1机B修过程中拆卸下来经过长期运行服役后的旧螺栓，同样存在螺栓光杆处直径变细约0.5mm；长度方向变长0.5-1mm，也即也存在明显拉伸塑性变形情况，说明2014年首次B修期间，也存在螺栓过扭矩拉伸塑性变形的情况。
申报需求计划，重新采购全新螺栓，择机予以更换所有中压导汽管道法兰紧固螺栓，确保机组运行安全。
2018年第二次机组B修工期已到，而采购全新螺栓尚需时日才能到货，参考编号为8、9的螺栓在相同塑性变形情况下已经保证机组长期安全运行的经历，鉴于弹性钢材有屈服到一定程度后，其内部晶粒重新排列后抵抗变形能力会提高的特性，故决定暂时仅更换断裂的螺栓，保持现状确保机组修后整组启动运行，后续备件螺栓到货后，再行停机机会予以全部重新更换所有变形伸长的双头螺栓。
该厂#1机组B修后启动运行正常，目前进入采暖季供热期，待供热期后择机停机检修予以螺栓更换事宜。
6. 结语
6.1 气扳机存在规格大小，对应不同规格螺纹螺栓紧固时应选择适配规格的气扳机。杜绝气扳机规格选型偏大，输出扭矩过大带来螺栓拉伸应力超限，超过螺栓自身材料允许的屈服强度而产生塑性变形，甚至超出抗拉强度拉伸塑性变形过大而导致螺栓断裂的问题。
6.2气扳机操作过程中，应遵循厂家说明书，科学操作确保合理紧固累计时间，避免紧固累计时间过长带来累计扭矩增大引起过扭矩，造成螺栓拉伸塑性变形甚至断裂的问题。
6.3由于气扳机存在输出扭矩不确定、不精准的问题，建议高温高压系统检修工艺中增加螺栓紧固前后长度测量对比过程，一旦发现存在螺栓拉伸塑性变形的异常情况，應采取改进螺栓紧固工艺、工具及必要的螺栓更换等技术措施，避免受伤螺栓服役带来更大不安全问题。
6.4所述超屈服强度已塑性变形损伤的螺栓服役的案例，是在充分对比不同时期相同螺栓塑性变形程度，慎重评估决策的临时应急方案，借鉴需谨慎。鉴于可能存在因检修过程中使用气扳机紧固导致塑性变形而损伤的螺栓服役的情况，强烈建议各电厂及其它行业加大排查力度及排查范围，确保在役设备上塑性变形损伤的螺栓能尽早发现，通过螺栓更换等措施消除重大安全隐患。
参考文献：
1. 《国产冲击式气扳机述评》.上海民主电器厂.朱鹤龄.
作者简介：张金元（1978-），男（汉族），河南省南阳市社旗县人，本科学历。
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