一起合金雙頭螺栓過扭矩斷裂事件
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摘要： 某電廠等級檢修中發生一起合金雙頭螺栓斷裂事件。現場排查對比分析，緊固螺栓采用的氣扳機規格太大造成過扭矩，導致合金雙頭螺栓拉伸塑性變形，個別累計緊固時間長、累計扭矩過大最終導致其中一個螺栓斷裂。更換斷裂的螺栓，機組啟動運行。不同規格螺栓緊固應選擇適配規格的氣扳機，科學操作，避免累計時間長、累計扭矩過大的問題。建議檢修工藝中增加螺栓緊固前后長度測量對比過程，以及排查在役設備可能存在塑性變形損傷螺栓的工作。
關鍵詞： 合金螺栓；風動扳手；塑性變形
1. 概況
河南省某電廠，2×210MW供熱機組，哈爾濱汽輪機廠C160/N210-12.75/535/535型超高壓、一次中間再熱、雙缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機。#1、2機組分別于2008年3月、6月投入商業運營。
該機組中壓導汽管道額定工作壓力2.53MPa，額定工作溫度為535℃，導汽管道法蘭緊固雙頭螺栓規格為M30×150，材質為20Cr1Mo1VTiB。
#1機組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級檢修。
2018年10月11日，該電廠#1機組B修回裝過程，在進行中壓導汽管道法蘭雙頭螺栓緊固時，采用上海民生電器廠生產的BE56型號儲能沖擊式氣扳機（也即風動扳手）緊固螺栓，發生一起合金雙頭螺栓一根斷裂的事件。
2018年10月24日機組啟動至發稿時，該電廠#1機組運行正常，待供熱期后擇機停機更換所有存在塑性變形的雙頭螺栓。
2. 斷裂螺栓斷口特征情況
斷裂中壓導汽管螺栓斷口發生在雙頭螺栓中間光桿處，斷口基本在光桿的中間部位，螺栓斷口處兩端光桿均明顯拉伸變細，呈現錐臺狀，拉伸導致斷口處直徑最細。斷口處無夾渣等材質缺陷，無老、舊裂紋痕跡。
3. 螺栓斷裂原因分析
哈汽廠設計中壓導汽管道法蘭緊固雙頭螺栓規格為M30×150，材質為20Cr1Mo1VTiB?，F場光譜分析及查看該批次螺栓生產廠家材質報告，材質為20Cr1Mo1VTiB一致、正確。雖然螺栓規格小，現場無法進行硬度檢測，但是查看廠家報告顯示檢測材料硬度約HB275（該材質硬度值標準為HB255-293）合格，熱處理工藝符合要求，拉伸強度等指標在合格范圍內。
斷裂螺栓斷口發生在雙頭螺栓中間光桿處，螺栓斷口處兩端光桿均明顯拉伸變細，斷口處無夾渣等材質缺陷，無老、舊裂紋痕跡，通過斷口特征判定，該螺栓拉伸塑性變形過大而最終斷裂。
螺栓加工制造廠家提供的出廠檢測報告，熱處理工藝符合要求，硬度合格，拉伸強度等指標在合格范圍內，說明螺栓的材質及加工制造質量合格，滿足使用要求。螺栓被拉伸后均勻的塑性變形，拉伸塑性變形逐步增大，先變細最終斷裂，均勻的、逐步變細的縮頸特征，一方面充分說明螺栓材料有良好的塑性和韌性，另一方面說明緊固過程中扭矩載荷過大引起螺栓受到的拉伸應力過大，已超過其自身允許的屈服強度，產生塑性變形，最終超出抗拉強度拉伸塑性變形過大而斷裂。
4. 螺栓緊固扭矩過大的原因分析
4.1螺栓緊固前后光桿處直徑及總長度變化證明扭矩過大
同批次新購雙頭螺栓安裝緊固過程中，采用同一臺BE56型號儲能沖擊式氣扳機緊固螺栓時，會導致螺栓光桿處直徑變細約0.5mm；長度方向變長0.5-1mm，存在明顯拉伸塑性變形情況，證明BE56型號氣扳機緊固M30螺栓時存在扭矩過大問題。
4.2 存在BE56型號儲能沖擊式氣扳機規格偏大過扭矩問題
《國產沖擊式氣扳機述評》，BE56型號儲能沖擊式氣扳機緊固螺栓適合螺紋范圍應該是M44-M56，其驗收扭矩為4903N.m，實際現場氣扳機銘牌標注擰緊扭矩高達6370N.m，而M30螺栓應采用BE30型號儲能沖擊式氣扳機，其驗收扭矩為883N.m，二者驗收扭矩相差5-6倍，則因BE56型號氣扳機規格偏大，造成緊固M30螺栓時存在扭矩過大問題。
4.3沖擊式氣扳機工作特性存在扭矩過大風險
工作過程中沖擊式氣扳機輸出扭矩不穩定，隨著工作時間的延長而增加，也即隨著持續累計時間的延長，沖擊式氣扳機輸出的累計扭矩會增大，所以實際操作時不易控制，即使配備有定扭矩輸出控制機構，效果也不理想，故，沖擊式氣扳機累計扭矩增大的工作特性易造成扭矩過大。
綜上所述，一方面因BE56型號氣扳機規格偏大，造成緊固M30螺栓時存在扭矩過大問題，另一方面，工作過程中沖擊式氣扳機輸出扭矩不穩定存在扭矩偏大的情況，再一點，沖擊式氣扳機累計時間持續長、累計扭矩增大的工作特性更易造成扭矩過大，三方面因素作用，造成M30合金雙頭螺栓因扭矩過大而拉伸塑性變形，最終因其中一根緊固累計時間過長而累計扭矩過大導致其斷裂。
5. 螺栓斷裂事件處理情況
首先，該電廠#1機2012年首次A修，2014年首次B修，2018年第二次B修，均是同一個檢修公司，同一臺BE56型號氣扳機，相同的緊固工藝，該中壓導汽管道法蘭螺栓緊固因扭矩過大而拉伸塑性變形的問題應該是存在已久。如表1數據顯示，螺栓編號為8、9的螺栓，即是#1機B修過程中拆卸下來經過長期運行服役后的舊螺栓，同樣存在螺栓光桿處直徑變細約0.5mm；長度方向變長0.5-1mm，也即也存在明顯拉伸塑性變形情況，說明2014年首次B修期間，也存在螺栓過扭矩拉伸塑性變形的情況。
申報需求計劃，重新采購全新螺栓，擇機予以更換所有中壓導汽管道法蘭緊固螺栓，確保機組運行安全。
2018年第二次機組B修工期已到，而采購全新螺栓尚需時日才能到貨，參考編號為8、9的螺栓在相同塑性變形情況下已經保證機組長期安全運行的經歷，鑒于彈性鋼材有屈服到一定程度后，其內部晶粒重新排列后抵抗變形能力會提高的特性，故決定暫時僅更換斷裂的螺栓，保持現狀確保機組修后整組啟動運行，后續備件螺栓到貨后，再行停機機會予以全部重新更換所有變形伸長的雙頭螺栓。
該廠#1機組B修后啟動運行正常，目前進入采暖季供熱期，待供熱期后擇機停機檢修予以螺栓更換事宜。
6. 結語
6.1 氣扳機存在規格大小，對應不同規格螺紋螺栓緊固時應選擇適配規格的氣扳機。杜絕氣扳機規格選型偏大，輸出扭矩過大帶來螺栓拉伸應力超限，超過螺栓自身材料允許的屈服強度而產生塑性變形，甚至超出抗拉強度拉伸塑性變形過大而導致螺栓斷裂的問題。
6.2氣扳機操作過程中，應遵循廠家說明書，科學操作確保合理緊固累計時間，避免緊固累計時間過長帶來累計扭矩增大引起過扭矩，造成螺栓拉伸塑性變形甚至斷裂的問題。
6.3由于氣扳機存在輸出扭矩不確定、不精準的問題，建議高溫高壓系統檢修工藝中增加螺栓緊固前后長度測量對比過程，一旦發現存在螺栓拉伸塑性變形的異常情況，應采取改進螺栓緊固工藝、工具及必要的螺栓更換等技術措施，避免受傷螺栓服役帶來更大不安全問題。
6.4所述超屈服強度已塑性變形損傷的螺栓服役的案例，是在充分對比不同時期相同螺栓塑性變形程度，慎重評估決策的臨時應急方案，借鑒需謹慎。鑒于可能存在因檢修過程中使用氣扳機緊固導致塑性變形而損傷的螺栓服役的情況，強烈建議各電廠及其它行業加大排查力度及排查范圍，確保在役設備上塑性變形損傷的螺栓能盡早發現，通過螺栓更換等措施消除重大安全隱患。
參考文獻：
1. 《國產沖擊式氣扳機述評》.上海民主電器廠.朱鶴齡.
作者簡介：張金元（1978-），男（漢族），河南省南陽市社旗縣人，本科學歷。
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