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中华人民共和国电力行业标准DL439—91火力发电厂高温紧固件技术导则中华人民共和国能源部1991-09-16批准1992-05-01实施1总则1.1为保证火力发电厂高温紧固件的安全运行，把好紧固件制造、装拆和运行中的检验关，延长紧固件的使用寿命，特制订《火力发电厂高温紧固件技术导则》(以下简称导则)。1.2本导则适用于工作温度(指蒸汽温度)大于400℃的汽缸、汽门、各种阀门和蒸汽管道法兰的螺栓(包括单头螺纹螺栓、双头螺柱和等长双头螺柱)、螺母和垫圈。对于工作温度低于400℃的紧固件，也可参照有关章节的规定。1.3本导则适用于火力发电厂高温紧固件的设计、制造、安装、检修、运行和试验研究部门。1.4本导则是根据有关国家标准、部颁标准、火力发电厂紧固件的特点和使用经验编写而成。在本导则过程中,积累经验,以便改和完善本导则的内容。2紧固件用材和结构2.1用材原则2.11高温紧固件的作用是在法兰结合处产生一定的压紧力,使被联接件在设计的期限(20000～30000h)内保持密封，不发生泄漏和突然断裂。2.1.2对高温紧固件材料的性能要求：2.1.2.1较好的抗松弛性，使螺栓在较低的预紧应力下，经过一个设计运行时间后，其残余紧应力仍高于最小密封应力。2.1.2.2强度和塑性的良好配合，蠕变缺口敏感性小。如果片面追求高温持久强度而忽视持久塑性，则易在螺纹根部应力集中处发生断裂。一般要求螺栓材料的8000～10000h以上光滑试样的持久塑性分别为：新材料大于5%；已运行材料不应低于3%。2.1.2.3组织稳定，热脆性倾向小。经长期运行后，螺栓材料的U形缺口冲击韧性ak按其用途和装卸方法应分别大于29.4J/cm2和大于58.8J/cm２。2.1.2.4良好的抗氧化性能，防止长期运行后因螺纹氧化而发生螺栓和螺母咬死现象。2.1.3由于螺母的工作条件较螺栓好，另外为防止螺纹咬死和减少磨损，选材时螺栓和螺母应采用不同钢号。螺母材料比螺栓低一级，硬度低HB20～50。用于各工作温度等级的螺栓材料列于表1。表中螺栓材料用作螺母时，可比表列温度高30～50℃。各种螺栓材料的化学成分、力学性能和热处理工艺见附录A。2.1.4原则上同一法兰的紧固件应采用相同的钢号和强度等级。如果在同一法兰上要安装不同材料和强度等级的紧固件时，则应考虑计算由不同线膨胀系数和抗松弛性能引起的影响。表1各工作温度下选用的螺栓材料最高使用温度℃钢号最高使用温度℃钢号40040048048051055035(螺母用材)4520CrMo(螺母用材)35CrMo25Cr2MoV25Cr2Mo1V55057057057067720Cr1Mo1V120Cr1Mo1VNbTiB(推荐使用钢材)20Cr1Mo1VTiB(推荐使用钢材)C-422(20Cr12NiMoWV)(推荐使用钢材)R-26(Ni-Cr-Co合金)2.1.5各种高温螺栓钢需经过调质处理。奥氏体化后，油冷比空冷具有较好的综合性能，尤其是韧性高。回火温度应比螺栓的工作温度高120～150℃以上，保温时间大于6h。2.1.6火力发电厂对成品螺栓的材料质量控制的主要指标是硬度，因为调质后硬度高的材料具有较高的强度和较低的韧性；而硬度低的材料则相反。为了防止单凭硬度判断材料的性能局限性，还应考虑晶粒大小及组织形态对材料性能的影响，见附录B。2.1.7低合金Cr-Mo-V螺栓钢具有热脆倾向，热处理工艺以采用较低的奥氏体化温度和较高的回火温度为宜。组织为均匀回火索氏体，尽量减少呈方向性排列的贝氏体组织。图1螺纹载荷分布示意图图2螺栓上的应力集中位置2.1.8粗晶材料不适合制作高温螺栓。粗晶原材料不宜直接进行调质处理，应先作好调质前的组织准备，然后再经调质处理，可有效消除粗晶和使组织均匀化。2.2结构2.2.1紧固件的结构对运行安全性影响很大，不良的结构和加工质量是引起螺栓断裂的重要原因之一。2.2.2结构因素对安全性的影响是通过载荷分布不均匀表现出来的。紧固件结构引起载荷分布不均匀包括三个方面：2.2.2.1由于螺栓和螺母的变形不同，螺栓的承载旋合螺纹上的载荷分布是很不均匀的。在弹性范围内，靠近螺母支承面的第一圈螺纹的载荷最大，而其余旋合螺纹的分担载荷按序减少(图1)。为了改善各圈螺纹载荷的不均匀性，可采用锥形螺纹或内斜螺母。2.2.2.2螺栓上存在三个应力集中的部位：与螺母啮合的第一个螺纹牙底、退刀槽、螺栓头与螺杆之间的截面突变处(图2)。为了减轻这三个部位的应力集中，在结构上应做到：a.螺纹牙底应呈圆弧状，牙底的圆弧半径不应小于0.1螺距。不应采用三角形尖牙底或平牙底。b.螺纹和螺杆之间的退刀槽应圆滑过渡。圆弧半径R≈0.3螺栓直径。c.螺栓头和螺杆之间应有过渡圆角。2.2.2.3螺栓受偏心载荷时，会在螺栓上产生附加弯曲应力。它对螺栓强度影响极大，是造成螺栓早期失效的重要因素。产生附加弯曲应力的原因有：螺杆与法兰平面不垂直；螺母支承面与法兰面不平行；垫圈厚度不均；紧固工艺不当，如使用大锤冲击等螺母发生位移。2.2.3螺栓结构分两种(图3)：2.2.3.1刚性(直筒)螺栓——螺杆部直径等于螺纹外径。在拧紧状态，螺栓的伸长变形主要集中在螺纹牙底，允许的变形量小，螺纹处的应力集中现象更为明显。增加刚性螺栓的自由螺纹扣数，则变形能力升高(图4)。因此，采用刚性螺栓时，应有一定长度的自由螺纹。无论在装拆过程或运行中，刚性螺栓易发生断裂。因此，火力发电厂高温紧固件应避免采用刚性结构。2.2.3.2柔性(细腰)螺栓——螺杆部直径小于螺纹内径。在拧紧状态，螺栓的伸长变形主要集中在螺杆部，允许的变形量明显升高(图4)，可有效地改善螺栓的受力状态。火力发电厂高温紧固件应采用这种结构。与刚性螺栓相反，柔性螺栓旋入端的螺纹应全部拧入法兰内，使其低于法兰平面0.5～1mm，可减小螺纹部分的附加弯曲应力。图3刚性(a)和柔性(b)螺栓结构图4刚性和柔性螺栓的A—柔性螺栓；B—刚性螺栓，一扣自由螺纹；C—刚性螺栓，九扣自由螺纹2.2.4为了增加法兰接头的弹性，螺杆的长度应大于螺纹公称直径的4倍。2.2.5紧固件中使用垫圈的目的：2.2.5.1保护被联接件表面不受擦伤，以便多次装拆。2.2.5.2减小拧紧时的摩擦力，降低扭应力。通常用的紧固件垫圈为平面圆垫圈。此外，为了达到某些特殊的需要，可采用不同的垫圈。a.弹性垫圈：防止螺母松动，增大螺栓的柔度，提高紧固件抗冲击和变载的能力。扁碗状弹性垫圈对克服由于微凸下沉引起的紧力下降现象有明显的作用。b.塑性垫圈：可作为紧力水平控制，保证紧力均匀和减小螺栓的弯曲应力。c.球面垫圈：可有效地消除螺栓的附加弯曲应力，但会产生附加的松弛。d.套筒垫圈：增长螺栓的长度，以增加柔度，可降低螺纹前几圈的应力和提高紧固件抗动载荷的能力。2.2.6紧固件螺纹分粗牙和细牙两种。相对比较细牙螺纹的优点：自锁能力较大、拧紧时扭应力小和拧紧螺母时转动角大易控制。它的缺点是：当螺母和螺栓螺纹的间隙小而且材料氧化严重时，容易发生螺纹咬死现象；当牙底采用圆弧时，细牙的圆弧半径较小。火力发电厂高温紧固件以采用细牙螺纹为宜，螺距通常为3～4mm，螺纹公差按IT11等级制造。2.2.7为了改善第一扣螺纹的高应力状态，可把螺栓和螺母螺纹加工成轻微的锥度(3‰～8‰)。2.2.8阀门门盖法兰和管道法兰多采用齿形垫或斜平形垫。尤其是齿形垫，在不大的预紧力下垫片齿就达到塑性变形，可提高法兰结合面的密封性。垫片用钢材的硬度应比法兰的低。根据工作温度高低，垫片材料可分别采用10、20、1Cr13、12CrMo、15CrMo、1Cr18Ni9Ti。经常拆卸的垫片可用低碳钢，而长期不拆卸的垫片用不锈钢较好。2.2.9火力发电厂高温紧固件尽可能采用罩螺母，以保护螺纹避免咬扣。3紧固件使用前的检验3.1由于高温紧固件的重要性及制造方式为小批量或单件生产，因此无论是专业厂制造或是电厂配制的高温紧固件，使用前均需逐根检验。3.2验收时，应先检查包装质量，产品标准规定的标记、数量和产品质量检验单(包括化学成分、低倍和高倍组织结构、机械性能)。机组移交生产时，安装单位应将以上资料移交给发电厂。3.3螺栓、螺母和垫圈的尺寸、公差和表面粗糙度检验按下列标准：GB90—85紧固件验收检查、标志与包装；GB196—81普通螺纹基本尺寸；GB197—81普通螺纹公差与配合；GB38—76螺栓技术条件；GB61—76螺母技术条件；GB98—76垫圈技术条件；GB3—79螺纹收尾、肩距、退刀槽、倒角；GB2—76螺栓、螺钉及双头螺柱末端尺寸；JB2951—81汽轮机双头螺柱型式和尺寸；JB2952—81汽轮机等长双头螺柱型式和尺寸；JB2953—81汽轮机罩式螺母型式和尺寸；JB2954—81汽轮机双头螺柱、汽轮机等长双头螺柱、汽轮机罩螺母技术条件。3.4为了减小应力集中及附加弯曲应力，在尺寸检验中应着重注意以下几个方面：3.4.1第2.2.2条的三个应力集中部位的尺寸和表面粗糙度。3.4.2应保证螺栓和螺母螺纹之间有一定的间隙。螺栓螺纹采用负偏差，其外径和中径偏差按表2规定。表2螺栓螺纹的偏差值μm螺纹直径螺纹直径螺纹中径螺纹外径上偏差(-)下偏差(-)上偏差(-)下偏差(-)M20M24，M27M30M36×3，M42×3M48×3，M52×3M56×4～M90×4M100×4～M180×4170200212200212236250335400425400425475500335375425375375475475530600670600600750750表3母线的直线度允差螺纹直径在100mm范围内母线的直线度≤M52×3≥M56×40.030.023.4.3螺柱的外螺纹轴线对光杆轴线的同轴度允差应在螺纹外径公差范围内，母线的直线度允差不得超过表3规定。3.4.4螺栓加热孔的接刀错位值不得超过1mm。加热孔和螺栓螺纹的同轴度不得超过R0.1mm。3.4.5螺栓头和螺杆轴心线的夹角应小于1°。3.4.6螺母支承面和螺纹轴线的垂直度应不超过表4的规定。表4螺母支承面和螺纹轴线的垂直度螺纹直径≤M30M36×3～M52×3M56×4～M68×4M72×4～M100×4M110×4～M160×4允差mm≤0.03≤0.05≤0.08≤0.10≤0.153.5螺栓螺纹、螺杆和螺母支承面的表面粗糙度不低于Ra1.6，内螺纹表面粗糙度不低于Ra3.2。3.6螺纹表面应光洁、平滑，不应有凹痕、裂口、锈蚀毛刺和其他会引起应力集中的缺陷。3.7对大于和等于M32的螺栓均需进行100%超声波探伤(必要时可用磁粉、着色和其他方法检查)，不得有裂纹和影响强度的缺陷存在，有裂纹的螺栓应报废。3.8新螺栓和螺母均先调质处理，后加工成成品。若成品后再经热处理的螺栓和螺母则可拒收，或作已恢复性热处理螺栓处置。3.9为了防止错用钢材，100%的螺栓需进行光谱检验。分析结果应与材料牌号相符合。3.10螺栓材料的理化检验按JB3288—83《汽轮机主要零部件理化检验》或制造厂标准执行。对螺栓材料的一些特殊要求，电厂应事先在协议书中提出。3.11M32以上螺栓应100%进行硬度检验。检查部位为螺栓端面或光杆处。螺栓硬度要求列于附录A的表A2。例如，对25Cr2Mo1V钢螺栓要求硬度为HB241～277。3.12按GB1979—80《结构钢低倍组织缺陷评级图》螺栓钢的低倍组织要求为：中心疏松小于或等于2级，一般疏松小于或等于2级，偏析小于或等于2级，气孔小于或等于2级。若发现有白点，则螺栓报废。非金属夹杂物的氧化物小于或等于3级，硫化物小于或等于3级。要求非金属夹杂物的总和：碳素钢小于或等于5.5级；合金钢小于或等于5级。制造厂提供的材料质量检查单上应有低倍组织检验的合格证明。3.13对大于M32的新螺栓需进行微观组织检验，检查部位可在螺栓端面或光杆处。检查的数量由电厂和安装单位协商决定，它主要决定于对制造厂产品的信任程度、电厂使用该螺栓钢的经验和掌握螺栓在运行中组织性能变化的规律和要求。螺栓材料的组织：均匀回火索氏体