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        核電廠主設(shè)備用螺紋襯套研制與試驗(yàn)

        2021-07-01 06:59:54湯臣杭
        科技視界 2021年15期
        關(guān)鍵詞:核電廠

        余 平 湯臣杭

        (中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,四川 成都610213)

        0 引言

        核電廠的蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等主設(shè)備,在制造、安裝、檢修期間,其入孔、手孔和觀察孔的螺栓連接接頭處時(shí)常發(fā)生螺栓被咬死、螺紋孔的內(nèi)螺紋被碰撞等問題,導(dǎo)致螺紋孔嚴(yán)重?fù)p壞,以至于不能采用一般的修理方法修復(fù)螺紋孔。在這種情況下,就可采用螺紋襯套來進(jìn)行修復(fù)。采用螺紋襯套修復(fù)之后的螺孔無須更換螺栓,且有助于增強(qiáng)螺紋連接的承載力和抗疲勞強(qiáng)度。這種修理方法技術(shù)比較成熟、可靠,在國(guó)外核設(shè)備螺紋孔修理中被廣泛使用。

        目前,國(guó)內(nèi)二代及二代加核電廠主設(shè)備用螺紋襯套參考國(guó)外設(shè)計(jì),缺乏相應(yīng)的分析研究和試驗(yàn)研究,無法滿足自主化三代核電機(jī)組(如華龍一號(hào))的需求,為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自主化和制造本地化,相關(guān)人員在國(guó)內(nèi)開展了核電廠主設(shè)備用螺紋襯套的研制。本文論述了螺紋襯套研制的關(guān)鍵技術(shù),針對(duì)螺紋襯套的工作特性進(jìn)行了分析,并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

        1 螺紋襯套工作原理

        螺紋襯套(Helical-Coil Threaded Inserts)是一種特殊的內(nèi)螺紋緊固件。核設(shè)備用螺紋襯套是采用高強(qiáng)度、高精度、表面光潔的冷軋菱形鎳基合金絲精確加工而成的一種彈簧狀內(nèi)外螺紋。

        螺紋襯套的工作原理是在螺栓/柱和基體內(nèi)螺紋之間形成彈性連接,消除螺紋制造誤差,提高連接強(qiáng)度。自由狀態(tài)螺紋襯套外徑大于螺孔的直徑,通過專用安裝工具使其直徑變小,旋入預(yù)先加工好的內(nèi)螺紋中。螺紋襯套起到類似彈簧的膨脹作用,使其牢固地固定在螺紋孔內(nèi),不會(huì)隨螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)。螺紋襯套工作原理示意圖如圖1所示。

        圖1 螺紋襯套工作原理示意圖

        2 螺紋襯套關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        研究人員通過調(diào)研國(guó)外核設(shè)備螺紋襯套的相關(guān)資料,結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),確定了螺紋襯套結(jié)構(gòu)尺寸要求,螺紋襯套結(jié)構(gòu)如圖2所示,其相關(guān)技術(shù)要求如下:螺紋襯套型面尺寸按國(guó)標(biāo)執(zhí)行;安裝柄位置尺寸E取引導(dǎo)圈Dy實(shí)際尺寸的1/2為其公稱尺寸,偏差為±0.15 mm;自由狀態(tài)下,螺紋襯套的外螺紋牙型角平分線應(yīng)垂直于螺紋襯套軸線,其偏差應(yīng)不大于4°;螺紋襯套兩相鄰圈之間的間隙應(yīng)不大于0.25倍螺距;折斷槽應(yīng)保證螺紋襯套在正確使用安裝工具時(shí),安裝柄不折斷,安裝后,用專用去柄工具能將安裝柄在折斷槽處折斷并脫落,安裝柄去除后,不影響螺紋精度。

        圖2 螺紋襯套結(jié)構(gòu)圖

        在確定螺紋襯套結(jié)構(gòu)尺寸后,為保證螺紋襯套可正確安裝,還需確定螺紋襯套安裝用底孔尺寸,相關(guān)技術(shù)要求如下:螺紋襯套底孔的基本牙型符合國(guó)標(biāo)規(guī)定;螺紋直徑的極限偏差從螺紋基本牙型線起,按垂直于螺紋軸心線方向計(jì)算;螺紋大徑偏差由螺紋工具確定;螺紋中徑的下偏差包括中徑本身的尺寸偏差和螺距、牙型半角誤差的中徑補(bǔ)償值,上偏差為中徑本身的偏差,用極限塞規(guī)檢查。

        2.2 材料技術(shù)要求

        調(diào)研國(guó)內(nèi)外核動(dòng)力裝置主設(shè)備用螺紋襯套材料,結(jié)合國(guó)內(nèi)二代加核電站建造經(jīng)驗(yàn),選用螺紋襯套材料牌號(hào)為GH4145,該材料等效RCC-M[1]牌號(hào)NC15FeTNb及ASME[2]牌號(hào)Inconel X750。該材料具有高強(qiáng)度、良好的韌性、良好的耐腐蝕性能,與低合金鋼底孔材料具有相近的熱膨脹系數(shù),在核電站蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器的螺紋襯套上已有不錯(cuò)使用經(jīng)驗(yàn)。

        2.3 制造

        螺紋襯套制造工序包括軋絲、繞絲、沖斷、開槽、清洗和硬化熱處理等。

        (1)軋絲:在專用軋絲機(jī)上將圓形原料絲冷軋擠壓成需要的菱形絲,并達(dá)到要求的截面尺寸,便于后續(xù)的繞套工作。軋絲的關(guān)鍵在于:①確定不同規(guī)格的菱形絲所需的原絲直徑;②確定軋絲所需的軋輥邊槽形狀;③確定軋絲機(jī)的功率、軋絲速率等。

        (2)繞絲:將軋制好的菱形鋼絲在專用繞絲機(jī)上繞制出螺旋形線圈,形成螺紋襯套的雛形。繞絲的關(guān)鍵在于:①確定繞絲用的芯軸直徑;②確定專用繞絲車床的轉(zhuǎn)速;③確定一套符合生產(chǎn)實(shí)際的簡(jiǎn)單易用繞絲板調(diào)整工藝。

        (3)沖斷、開槽:將繞絲后兩端多余的工藝長(zhǎng)度沖斷,并在安裝柄端一側(cè)的導(dǎo)引圈上開沖斷槽。

        (4)清洗和硬化熱處理:采用超聲波清洗技術(shù)進(jìn)行真空熱處理,嚴(yán)格控制工藝參數(shù),保證獲得最終力學(xué)性能和表面質(zhì)量。

        產(chǎn)品最終性能指標(biāo)如下:

        1)室溫抗拉強(qiáng)度1 553 MPa;

        2)室溫屈服強(qiáng)度1 436 MPa;

        3)斷后伸長(zhǎng)率19%;

        4)360 ℃抗拉強(qiáng)度1 372 MPa;

        5)360 ℃屈服強(qiáng)度1 200 MPa。部分性能指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。

        3 分析和試驗(yàn)

        針對(duì)螺紋連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,結(jié)果表明,裝配螺紋襯套后載荷分布更均勻。如圖3所示,不裝配螺紋襯套時(shí)大部分應(yīng)力集中在上面少數(shù)幾扣螺紋上,只有1/3的絲扣承擔(dān)了大部分載荷。而裝配螺紋襯套后,由于螺紋襯套有一定的柔性,在加載過程中能補(bǔ)償螺紋導(dǎo)程或螺紋角度誤差,從而使載荷均勻分布到螺紋全長(zhǎng),提高螺紋強(qiáng)度。

        圖3 螺紋應(yīng)力分布圖

        研究人員還開展了螺紋襯套連接強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。螺栓及螺紋襯套規(guī)格:M48x4;螺栓材料:42CDV4(RCC-M M5110);底孔材料:18MND5(RCCM M2119)。該試驗(yàn)裝置見圖4和圖5所示。

        圖4 螺紋襯套連接強(qiáng)度試驗(yàn)

        圖5 螺紋襯套疲勞試驗(yàn)

        同時(shí),進(jìn)行了4組連接強(qiáng)度試驗(yàn),第1、第2組一端帶螺紋襯套一端不帶,第3組兩端均帶螺紋襯套,第4組兩端均不帶螺紋襯套,結(jié)果為:

        (1)第1、第2組試驗(yàn)中,不帶螺紋襯套一端先發(fā)生脫扣破壞;

        (2)第3組發(fā)生破壞時(shí)的力大于第4組。試驗(yàn)結(jié)果表明裝配螺紋襯套提高了螺紋連接強(qiáng)度。

        疲勞試驗(yàn)結(jié)果為:試驗(yàn)螺栓斷裂,螺紋襯套表面沒有不可接受的缺陷,通止規(guī)檢查合格。試驗(yàn)結(jié)果表明裝配螺紋襯套后的螺紋疲勞使用壽命好于螺栓。

        4 結(jié)語

        研究人員通過研制,掌握了核電廠主設(shè)備用螺紋襯套設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)和制造。通過對(duì)螺紋襯套開展的連接強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn),驗(yàn)證了螺紋襯套設(shè)計(jì)和制造的合理性。同時(shí),試驗(yàn)結(jié)果也表明裝配合適的螺紋襯套進(jìn)行螺紋孔的修復(fù),可以提高螺紋的承載能力。

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