核級緊固件質量管理分析

焦少陽　鄭越　高揚　路曉暉

【摘 要】本文首先介紹了核電站用核級緊固件的制造工藝流程，其次根據全面質量管理理論，從人、機、料、法、環五個角度分析討論了緊固件制造過程中的質量管理問題；然后分析了緊固件在執行RCC-M標準常見的技術問題，如熱處理、硬度檢測和表面防腐；最后給出了緊固件的質量監督方法及增加入廠/場復驗的必要性要求，以保證緊固件在采購和制造等階段的質量可控。

【關鍵詞】緊固件；質量管控；RCC-M

0 引言

緊固件在核電廠安全系統和設備中大量使用，承擔了部件連接、承壓密封和支承固定等功能，其質量與性能對于核電廠安全系統和設備執行核安全功能有著重要作用。但是緊固件制造門檻較低、采購制造加工環節繁雜、生產企業眾多，從而導致產品質量管理不易控制，部分緊固件生產企業為了獲得市場而采取各種方法降低成本，如采用劣質鋼材作為原材料、通過虛假試驗報告以減少試驗數量、利用清潔要求不達標的庫房進行倉儲等，使得這類緊固件的質量不可控，且無法滿足核電站的技術要求及質保要求。

本文首先介紹了核級緊固件（如螺栓、螺柱、螺桿、螺釘、螺母等）制造工藝流程以及相關檢測檢驗要求；然后從質量管理及日常監督檢查角度，指出了緊固件在生產制造中存在的問題并給出相應建議；其次分析了緊固件制造廠在執行RCC-M體系[1]材料采購技術條件中，容易出現的技術問題以及注意事項；最后針對緊固件完工報告中的數據不完整或存在虛假數據等問題，提出了建立有效質量保證體系以及增加入廠/場復驗的必要性要求。

1 緊固件制造工藝流程

緊固件的主要制造工藝流程包括：原材料采購→復驗→下料→熱鍛（螺栓和螺母）→熱處理（如有）→性能試驗（如有）→機加工→滾絲成形→表面處理→表面檢查→無損檢測→尺寸檢查→包裝運輸。

緊固件制造廠采購的原材料鋼棒根據最終緊固件類型，熱處理狀態會有所不同。一般在制造緊固件過程中不需要進行熱加工時，如螺柱、螺桿等，采用經性能熱處理（滿足成品力學性能）的棒材制造；如果緊固件在制造過程中需要進行熱加工，如熱鐓的六角頭螺栓和螺母，則采購熱軋態的棒材。原材料鋼棒在入廠后需進行復驗，復驗合格后下料分割成長度若干的短棒以制造不同種類的緊固件。

核級緊固件的力學性能檢測，通常包括硬度、室溫拉伸、高溫拉伸和沖擊試驗。硬度試驗要求在每個成品緊固件上進行，且每批緊固件的硬度偏差不超過30HBW；室溫拉伸要求每批至少進行2次試驗；高溫拉伸試驗一般只有當部件設計溫度超過250℃時才需要進行，1級設備用緊固件需要該項試驗；對于螺栓類緊固件，當螺紋公稱直徑大于等于15mm時，要求進行沖擊試驗，其中奧氏體不銹鋼緊固件的沖擊試驗溫度為室溫，其他緊固件（如碳鋼、合金鋼、馬氏體不銹鋼等）的沖擊試驗溫度為0℃。

緊固件成形主要包括熱加工、機加工和攻絲。熱加工包括熱鐓六角頭或螺母坯料，機加工主要為將鋼棒機加工至要求尺寸。螺紋加工方法有很多，可以車削、銑削、磨削和滾壓，通常采用滾壓成形。滾壓螺紋是一種無屑加工工藝，滾壓時工件材料表面纖維不但未被切斷，反而得到進一步強化，由于滾壓時表面加工硬化并形成壓應力，還可提高疲勞強度；對相同螺紋直徑的螺栓，采用滾壓螺紋的坯料直徑較機加工螺紋的坯料直徑小，從而可以節省一定量的材料。

緊固件的表面處理方法應根據使用環境和使用條件進行選擇。對于普通室內環境、無腐蝕介質的情況下，一般采用磷化后表面整體涂漆或局部涂油進行保護；對于潮濕環境，通常采用鍍鋅處理；對于高溫管道或設備用緊固件，由于存在脆化，含鍍層緊固件應在不高于鍍層熔點一半的溫度下使用，如鍍鋅緊固件應在不高于210℃時使用。不銹鋼緊固件，一般不要求進行表面防腐處理。

核級緊固件的無損檢測檢測包括表面無損檢測（如液體滲透檢測和磁粉檢測）和體積無損檢測（如超聲檢測）。一般螺紋公稱直徑超過25mm時，需要進行表面無損檢測，通常在螺紋加工（即攻絲）后進行，且奧氏體不銹鋼緊固件采用液體滲透檢測，其他類型緊固件采用磁粉檢測或液體滲透檢測。因形狀原因，緊固件的超聲檢測不在成品上進行，而在原材料棒材上進行，通常當緊固件用原材料鋼棒尺寸超過50mm時需要進行超聲檢測。

2 緊固件生產制造中的管理問題

根據全面質量管理理論，影響產品質量的主要因素主要包括人員、機器（如設備、測量工具等）、原材料、執行法規標準和環境。下面根據緊固件的生產制造特點以及產品驗收情況，從質量管理角度分析影響緊固件質量的主要因素。

2.1 人員因素

緊固件制造門檻低，以致部分緊固件制造單位的生產人員未經專業有效培訓即實施生產；另外，對緊固件用原材料鋼棒的超聲檢測，在攻絲完成后需要進行表面無損檢測（如液體滲透、磁粉檢測），對這些無損檢測的人員應取得HAF602人員資質證書。因此為保證核級緊固件的生產質量，應選用具備相關技能和資質的人員。

2.2 機器設備因素

緊固件制造設備包括打頭機、螺母冷熱鐓成型機、滾絲機、攻牙機、熱處理設備、各種機加工車床等；性能檢測設備包括硬度試驗計、萬能力學性能試驗機（可進行拉伸、扭轉、彎曲等試驗）、沖擊試驗機等；尺寸檢測設備包括尺寸檢查用卡尺、通止規等；無損檢測主要設備包括磁粉探傷儀、液體滲透探傷材料、超聲檢測設備等。不管是制造設備，還是測量測量設備均應按照相應操作規范進行，并定期校對驗證，以防止設備老化失效不可用。

2.3 原材料控制

原材料控制包括原材料采購、到貨檢驗和庫存管理等3個方面的內容。緊固件制造廠應選擇質量合格的供應商采購棒材，并在原材料入廠時進行復驗，在進行有效標識后，方可進行生產制造。

2.4 法規標準

緊固件各個制造環節，包括原材料采購、制造、檢測、包裝、運輸等均應按相應的技術要求執行，重要執行文件還需要采購方批準。除此之外，還需要做好記錄工作，如填寫原材料信息卡（如牌號、規范等級、爐批號、熱處理狀態等）、工藝卡流轉卡、試驗狀態及結果等，以防止相關標識文件或工藝流程文件在流轉中未被有效執行，并造成材料混用、質量失控的風險。

2.5 環境因素

緊固件在庫存管理時，要做好標識，并進行分類存放，防止和其他民用產品混放而導致發生碳鋼和不銹鋼混放造成的污染事件；另外倉儲環境要保證干燥以防止緊固件在表面處理前發生腐蝕，尤其是濱海敞開式的儲存廠房；緊固件制造企業還應建立獨立的表面防腐車間，或在產品成形后外委其他單位進行表面防腐處理，當表面防腐不到位，尤其是鍍層厚度不足時，將容易導致緊固件產生腐蝕失效。

3 緊固件生產制造中的技術問題

根據緊固件的生產制造經驗及核電站中的使用經驗反饋，緊固件制造廠在執行RCC-M標準或根據RCC-M標準編制的相關工程技術文件中存在各種技術問題，主要包括原材料鋼棒熱處理、硬度檢測和表面防腐處理等。

3.1 原材料鋼棒的熱處理

緊固件的力學性能是通過性能熱處理來實現的，該性能熱處理可在鋼棒采購階段進行，也可在緊固件制造廠進行，往往由制造工藝決定。當緊固件在制造中需要熱加工（如熱鐓螺栓六角頭，熱鐓螺母坯料等）時，一般采購熱軋態鋼棒；當制造中僅需要進行機加工（如雙頭螺柱、螺桿等）時，一般采購經性能熱處理態鋼棒。

鋼棒通常按照GB標準采購，而核級緊固件的化學成分、力學性能等需要滿足RCC-M規范中的要求。為了消除實際采購和標準要求之間的差異，一般在原材料鋼棒入廠時除進行化學成分復驗外，還應根據不同情況進行力學性能復驗。

3.2 硬度檢測

根據RCC-M規范要求，核級緊固件應逐個進行硬度檢測，通常要求進行布氏硬度（HBW）檢測，但部分硬度較高的材料也允許利用洛氏硬度（HRC）進行代替。目前核級緊固件在制造檢測過程中，常用硬度檢測方法包括：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和里氏硬度[2-3]。目前，在緊固件的原材料采購、制造、驗收等過程一般都存在硬度檢測方法的代換申請（如用洛氏或里氏硬度代替布氏硬度），則了解不同硬度檢測方法的特點及之間的轉換關系將極為必要。

不同硬度之間存在換算關系，對于維氏、布氏、洛氏硬度之間的轉換，可以參考GB/T 1172《黑色金屬硬度及強度換算表》進行換算；對于里氏硬度和其他硬度的換算，參考GB/T 17394.4《里氏硬度試驗 第4部分：硬度值換算》進行換算具有較大不確定度，通常需要利用硬度對比曲線進行換算。

從檢測結果精度分析，維氏>布氏>洛氏>里氏；從簡便程度及試樣制備上分析，里氏硬度最方便，采用臺式硬度計進行檢測維氏、布氏和洛氏硬度檢測較為繁復。所以對硬度檢測，通常在原材料鋼棒或隨爐料鋼棒上進行測試布氏硬度或洛氏硬度；如果批量生產的成品緊固件，由于數量較多，難以逐個在臺式硬度計上進行硬度試驗，一般采用便攜式里氏硬度計進行檢測，然后轉化為布氏硬度或洛氏硬度；對于現場某些不能移動的設備部件，如地腳螺栓的在線硬度檢測，也需要采用里氏硬度轉化為布氏硬度或洛氏硬度方法進行檢測。

3.3 表面防腐

碳鋼和合金鋼緊固件在使用前需要進行表面處理，目前常用的表面處理方法包括磷化和鍍鋅。磷化屬于臨時防腐，緊固件在磷化交貨后，還需要在設備現場安裝后同設備本體進行整體涂漆或局部涂油進行長期保護；鍍鋅可以提供長時間的防腐保護，但是相對于磷化工藝要求較復雜，另外在電鍍時由于陰極反應容易引入氫，增加緊固件發生氫脆的風險。

根據核電站現場緊固件使用過程的經驗反饋，高強度螺栓（抗拉強度超過1000MPa）容易發生氫致應力腐蝕開裂。氫致應力腐蝕開裂的機制是，緊固件在加載預緊力后，材料中原有的氫通過應力誘導擴散富集在缺陷處，促進缺陷擴展；同時在局部腐蝕環境下，陰極電化學反應也會產氫并加劇氫的積聚；當缺陷處氫積聚到一定程度后，在外力作用下，氫致應力腐蝕裂紋形成、發展并最終導致緊固件斷裂[4]。

緊固件中的氫來源主要包括兩種，一種來自表面處理，一種來自長期服役中的電化學腐蝕反應；為了減少緊固件在使用過程中的氫致應力腐蝕敏感性，必須對高強度螺栓緊固件的表面處理過程進行有效控制。

4 緊固件的質量監督及控制

對于緊固件完工報告中相關試驗結果缺失或不完整，應監督緊固件制造廠按照HAF 003《核電廠質量保證安全規定》建立質量保證體系，并保證該質量保證體系有效運轉是解決該類問題的主要方法。

另外，對采購緊固件增加入廠/場復驗，不僅可有效保證緊固件能夠滿足設計標準，而且也可在一定程度上避免緊固件制造廠完工報告資料不完整或存在虛假數據等現象，同時也在一定程度上保證了緊固件的質量可靠。

5 結論

本文首先介紹了緊固件制造工藝流程，并在此基礎上分析討論了緊固件生產制造中的管理和技術問題，并給出了對應解決方案；針對完工報告中性能數據不完整等問題，給出了加強質量保證體系的解決方法，另外對緊固件實施入廠/場復驗，也在可一定程度上保證其質量可靠性。

【參考文獻】

[1]RCC-M 壓水堆核島機械設備設計和建造規則[C].2007.

[2]段向勝，邱小壇，周燕，等.鋼材里氏硬度與抗拉強度之間換算關系的試驗研究[J].建筑科學，2003，19（3）：48-51.

[3]王智春，蔡文河，吳勇，等.便攜式里氏硬度計檢測緊固件硬度偏差原因分析[J]. 華北電力技術，2009，1：27-29.

[4]張先鳴.高強度緊固件氫脆的產生及預防措施[J].研發與應用，2004，5：81-83.

[責任編輯：楊玉潔]