韓文悅，王永鵬，崔運(yùn)佳，莊澤楠

(中核國(guó)電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

“華龍一號(hào)”示范工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)推動(dòng)我國(guó)核電發(fā)展、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略具有重要意義。反應(yīng)堆壓力容器作為核安全關(guān)鍵設(shè)備，在“華龍一號(hào)”機(jī)組服役期間，需多次執(zhí)行壓力容器頂蓋開(kāi)關(guān)操作。操作過(guò)程中，需要利用螺栓拉伸機(jī)對(duì)主螺栓拆除及安裝，由于螺紋孔及螺栓的加工尺寸公差等固有特性，螺紋表面的粗糙度會(huì)影響螺紋副之間的耐磨性、配合性及疲勞性能，螺紋副在大扭矩作用下旋入時(shí)，強(qiáng)烈摩擦?xí)a(chǎn)生積屑瘤[1]，導(dǎo)致主螺栓旋至一定深度時(shí)卡住，無(wú)法繼續(xù)旋入且出現(xiàn)無(wú)法退出的情況，直接影響核反應(yīng)回路邊界完整性，對(duì)核安全構(gòu)成威脅，因而反應(yīng)堆壓力容器的主螺栓缺陷處理工藝研究越來(lái)越受到核技術(shù)領(lǐng)域的重視。

在已建“華龍一號(hào)”機(jī)組的反應(yīng)堆壓力容器建造、安裝及運(yùn)行過(guò)程中，福清核電某“華龍一號(hào)”機(jī)組于換料大修打開(kāi)壓力容器頂蓋期間，使用整體螺栓拉伸機(jī)拆除41號(hào)主螺栓過(guò)程中，因螺栓存在輕微變形發(fā)生螺紋卡澀現(xiàn)象。經(jīng)在線處理未果后，核電站保守決策在首次低低水位期間，在不擴(kuò)大損傷螺紋孔的情況下，通過(guò)對(duì)主螺栓破壞性拆除的方式進(jìn)行處理。本文結(jié)合此次反應(yīng)堆壓力容器主螺栓缺陷案例，對(duì)缺陷處理工藝進(jìn)行研究。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及功能

“華龍一號(hào)”機(jī)組反應(yīng)堆壓力容器主要由頂蓋組件、壓力容器筒體、緊固件組件、密封件等組成，主螺栓共計(jì)60顆，均勻安裝在反應(yīng)堆壓力容器筒體法蘭上，如圖1所示。

圖1 反應(yīng)堆壓力容器俯視圖及側(cè)視圖Fig.1 The top view and side view of reactor pressure vessel

每顆主螺栓配有主螺母、球面墊圈，均經(jīng)過(guò)錳基磷化處理，通過(guò)化學(xué)除油、酸洗、磷化淤渣、烘干鈍化等一系列化學(xué)反應(yīng)處理，在主螺栓表面生成一層非金屬的、不導(dǎo)電的多孔磷酸鹽薄膜，改善主螺栓表面狀態(tài)，包括摩擦系數(shù)、表面硬度等參數(shù)[2]。主螺栓本體長(zhǎng)度(含適配器)為2270 mm，分為四部分：(1)與筒體螺紋孔配合的螺紋，規(guī)格為M170×4；(2)貫穿頂蓋通孔的光桿，規(guī)格為φ164；(3)與主螺母配合的螺紋，規(guī)格為M170×4；(4)與螺栓拉伸機(jī)適配器配合的螺紋，規(guī)格為M140×4。主螺栓中心設(shè)置有(φ25±0.1)mm的通孔，通孔底部使用底塞封堵，中心孔底塞安裝有1根測(cè)量桿，主螺栓拉伸時(shí)通過(guò)測(cè)量主螺栓頂端與測(cè)量桿上端面之間的差值以獲得主螺栓的拉伸量，如圖2所示。

圖2 主螺栓示意圖Fig.2 The schematic of the main stud

2 主螺栓缺陷表征

2.1 主螺栓緊固對(duì)中

“華龍一號(hào)”機(jī)組反應(yīng)堆壓力容器開(kāi)關(guān)蓋期間，螺栓拉伸機(jī)通過(guò)向主螺栓施加軸向外力，使主螺栓達(dá)到規(guī)定的伸長(zhǎng)量，再擰緊螺母，去除外力后主螺栓得到所需要的預(yù)緊力，從而保障在主螺栓無(wú)扭剪切力和側(cè)向力的情況下，使反應(yīng)堆壓力容器密封環(huán)的密封比壓達(dá)到密封要求，繼而承受反應(yīng)堆一回路壓力，起到密封作用，主螺栓拆除與安裝緊固流程相逆。螺栓拉伸機(jī)主要由拉伸機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩部分組成，具體如圖3所示。

圖3 螺栓拉伸機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic of stud drawing machine

主螺栓對(duì)中過(guò)程通過(guò)擰主螺栓機(jī)器人完成，主要由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、旋轉(zhuǎn)操作裝置以及控制報(bào)警裝置三部分組成，具體如圖4所示。主螺栓拉伸機(jī)器人以螺栓孔為基準(zhǔn)，將主螺栓順著螺紋孔的軸線旋入，主螺栓入扣前在自身重力作用下，依靠主螺栓下部導(dǎo)向段與螺紋孔內(nèi)螺紋的導(dǎo)向作用實(shí)現(xiàn)對(duì)中跟隨。主螺栓旋入主螺紋孔后，提升驅(qū)動(dòng)裝置萬(wàn)向節(jié)自適應(yīng)補(bǔ)償同軸度偏差引起的角度偏移。主螺栓旋出與旋入流程相逆，過(guò)程控制要素為螺紋嚙合力矩[3]。

圖4 主螺栓機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The schematic of main stud robot structure

2.2 缺陷外在表征

“華龍一號(hào)”反應(yīng)堆壓力容器主螺栓出現(xiàn)缺陷的情況下，在旋出與旋入過(guò)程中，主螺栓機(jī)器人螺紋嚙合力矩值會(huì)發(fā)生報(bào)警。以某華龍一號(hào)機(jī)組大修為例，水壓試驗(yàn)后需對(duì)反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)行開(kāi)蓋操作，其中41號(hào)主螺栓在順利旋出30 mm后，主螺栓機(jī)器人出現(xiàn)螺紋嚙合力矩值過(guò)力矩報(bào)警，表明主螺栓此時(shí)旋出力矩已大于載入螺紋嚙合報(bào)警力矩值100 N·m，反轉(zhuǎn)主螺栓發(fā)現(xiàn)不能退出。通過(guò)調(diào)增主螺栓機(jī)器人旋出力矩值至限值200 N·m，仍無(wú)法將主螺栓旋出，表明主螺栓此時(shí)已出現(xiàn)缺陷故障，如繼續(xù)增大旋出力矩值將會(huì)加大反應(yīng)堆壓力容器筒體損傷程度。

2.3 缺陷內(nèi)在表征

根據(jù)壓力容器可靠性已有分析結(jié)論，結(jié)合應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型，利用ANSYS程序的概率分析功能可求出反應(yīng)堆壓力容器母材強(qiáng)度可靠度為82%，主螺栓的可靠度為100%[4]。主螺栓孔的可靠度相較低于主螺栓，出現(xiàn)缺陷故障時(shí)，更大幾率為主螺栓孔結(jié)構(gòu)損壞，較常見(jiàn)的損壞表征為大扭矩作用下旋入和旋出時(shí)強(qiáng)烈摩擦產(chǎn)生的積屑瘤。

圖5 主螺栓孔損壞圖片F(xiàn)ig.5 Damage of the main stud hole

另一方面，由于主螺栓表面抗咬合劑存在涂抹過(guò)多的情況，同樣可能促使主螺栓缺陷。現(xiàn)階段使用的抗咬合劑主要成分為鎳金屬、石墨和礦物油，稀釋后的抗咬合劑在螺紋表面的滯留能力降低，導(dǎo)致過(guò)量涂抹的抗咬合劑在螺紋旋合過(guò)程中，持續(xù)積聚在螺紋孔下部的間隙中。華龍一號(hào)機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)反應(yīng)堆一回路冷卻劑的平均溫度為310 ℃，抗咬合劑長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下，螺紋副縫隙間局部產(chǎn)生不規(guī)則片狀結(jié)痂。待主螺栓旋出時(shí)，螺紋副的峰、谷相互嚙合，隨著扭矩的不斷增大，接觸表面開(kāi)始發(fā)生摩擦，螺紋副工作面間隙的抗咬合劑結(jié)痂被較硬的螺栓螺牙峰點(diǎn)切掉，這個(gè)切削過(guò)程不斷重復(fù)發(fā)生，破壞了螺紋副接觸表面的潤(rùn)滑狀態(tài)，增大了摩擦傾向。被切削的結(jié)痂顆粒隨著主螺栓的運(yùn)動(dòng)發(fā)生位移，并進(jìn)一步聚積、相互黏著，具體如圖6所示，當(dāng)其達(dá)到一定尺寸后使螺紋副的間隙被填滿，產(chǎn)生過(guò)盈配合，造成旋出阻力增大，甚至完全卡死。

圖6 結(jié)痂顆粒積聚示意圖Fig.6 The schematic of scab particle accumulation

3 缺陷處理工藝

針對(duì)反應(yīng)堆壓力容器存在缺陷的主螺栓，通過(guò)切割、鉆孔、鏜削等一系列機(jī)械加工工藝進(jìn)行破壞性拆除及修復(fù)。缺陷處理過(guò)程中考慮工作人員及設(shè)備自身安全，除設(shè)置必要的輻射防護(hù)措施，如放射性場(chǎng)地去污、搭設(shè)SAS棚、覆蓋鉛材質(zhì)金屬皮等，還應(yīng)關(guān)閉RNI蓋板、清理相鄰主螺栓孔并通過(guò)四氟乙烯等較軟材料作螺紋保護(hù)，便于機(jī)加工工器具架設(shè)。該缺陷處理工藝同樣適用于連續(xù)相鄰的兩顆主螺栓同時(shí)發(fā)生缺陷的情況，但需對(duì)機(jī)加工工器具進(jìn)行適應(yīng)性改裝。

3.1 主螺栓切割

在缺陷主螺栓旁架設(shè)坡口機(jī)，為避免損傷筒體法蘭表面，且盡量減少后續(xù)鉆孔工作量，在壓力容器法蘭面上方約25 mm圓周處實(shí)施切割工作，具體如圖7所示。為保障主螺栓切割面平整，在坡口機(jī)回轉(zhuǎn)刀臂上安裝百分表，以螺栓外徑為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)動(dòng)坡口機(jī)回轉(zhuǎn)刀臂部分，校正刀臂運(yùn)動(dòng)軌跡與缺陷主螺栓同軸度偏差≤φ0.50 mm。同軸度調(diào)整完成后安裝刀具并開(kāi)動(dòng)坡口機(jī)，在坡口機(jī)正常工作狀態(tài)下，盡量切割最大深度，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)M經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)刀量控制在(1.5±0.1)mm/min，實(shí)際切割操作時(shí)可根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

基于反應(yīng)堆工作區(qū)域外來(lái)引入異物對(duì)核安全的影響，壓力容器法蘭面以下范圍需進(jìn)行防護(hù)，防止切削產(chǎn)生的碎屑進(jìn)入反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)，碎屑異物在15.5 MPa高壓介質(zhì)作用下存在穿透核燃料M5合金元件包殼的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致燒結(jié)的二氧化鈾(UO2)芯塊產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物于破裂處逸出。

圖7 主主螺栓切割Fig.7 Cutting of the main stud

3.2 主螺栓鉆孔

缺陷主螺栓完成切割后，在主螺栓剩余部分上方架設(shè)液壓磁力鉆床實(shí)施鉆孔加工。提前測(cè)量主螺栓缺陷狀態(tài)下螺紋載入的長(zhǎng)度，人為控制鉆頭速度及加工深度，轉(zhuǎn)速控制在20～25 r/min范圍內(nèi)，避免造成筒體基體損傷。鉆孔操作后更換較大直徑的鉆頭實(shí)施擴(kuò)孔操作，一般選用尺寸為φ107的鉆頭，并配上φ12～φ25的鉆孔導(dǎo)向頭，調(diào)整鉆床中心使鉆孔導(dǎo)向頭能夠自由插入和退出主螺栓中心鉆孔，正確發(fā)揮鉆孔過(guò)程中的導(dǎo)向作用，具體如圖8所示，作為后續(xù)鏜削加工的前端步序。

圖8 主螺栓擴(kuò)孔示意圖Fig.8 The schematic of reaming of the main stud

3.3 鏜削加工

為保障鏜削加工順利完成，鏜削前清理掉筒體法蘭表面的鐵屑雜物，清理主螺栓露在法蘭上方的螺紋。架設(shè)數(shù)控鏜床，具體如圖9所示，調(diào)整鏜床主軸中心與缺陷主螺栓外側(cè)表面的同軸度，確保同軸度誤差≤φ0.03 mm。安裝鏜刀開(kāi)機(jī)在線機(jī)加工，鏜刀進(jìn)刀速度≤0.5 mm/min。鏜削過(guò)程中多次測(cè)量加工孔的錐度情況，每向下鏜削5 mm，都需檢查殘余螺栓的薄壁情況，按照主螺栓螺紋規(guī)格，鏜削最大直徑控制在φ164.20～164.80 mm，并注意檢查主螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)情況，如鏜削過(guò)程中主螺栓已開(kāi)始跟隨鏜刀轉(zhuǎn)動(dòng)方向移動(dòng)，需立即停止鏜削。

圖9 主螺栓鏜削示意圖Fig.9 The schematic of main stud boring

3.4 剔除殘余螺紋

缺陷主螺栓拆除的最后一步為殘余螺紋剔除，小心夾住主螺栓頂部螺紋頭，使其彎曲，將螺紋頭部螺牙插入螺紋絲卷出桿。操作手柄小心轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋絲卷出桿，將螺紋絲慢慢卷到螺紋絲卷出桿上，直至全部將殘余螺紋剔除，具體如圖10所示。卷出螺紋絲如遇到困難，使用薄的不銹鋼片保護(hù)好已經(jīng)取出螺牙的內(nèi)螺紋面，使用手動(dòng)氣銑工具，小心銑削剩余螺栓小徑厚實(shí)部份，然后使用螺紋絲卷出桿繼續(xù)將螺紋絲慢慢卷出。卷出螺紋絲的過(guò)程中如果出現(xiàn)螺紋絲折斷，則使用銅制錐子撬起螺紋絲頭部，方便尖嘴鉗或者螺紋絲卷出桿剔除殘余螺紋。

圖10 螺紋絲剔除示意圖Fig.10 The schematic of thread removal

3.5 螺紋孔修復(fù)

缺陷主螺栓拆除后需對(duì)主螺紋孔進(jìn)行檢查，如果缺陷較小，可使用主螺栓長(zhǎng)桿梳刀裝置進(jìn)行修復(fù)，切削原理如圖11所示，確保主螺栓孔內(nèi)螺紋經(jīng)梳理后缺陷被消除且不留根。

圖11 主螺栓梳刀切削原理示意圖Fig.11 The schematic of the cutting principle of the main stud comb cutter

如果缺陷無(wú)法通過(guò)常規(guī)手段消除，則需對(duì)主螺栓孔進(jìn)行擴(kuò)孔修復(fù)。目前業(yè)界內(nèi)普遍采用沿主螺栓孔原螺旋線擴(kuò)孔修復(fù)、重新加工新螺紋擴(kuò)孔修復(fù)和增加襯套修復(fù)三種方案，美國(guó) Hydratight 公司和法國(guó) EDF 公司分別研發(fā)了相應(yīng)的機(jī)加工設(shè)備，國(guó)內(nèi)德陽(yáng)中瑞研發(fā)的移動(dòng)式多功能內(nèi)螺紋加工機(jī)，且已有實(shí)際修復(fù)案例證明其可行性[6]。

4 修復(fù)后核安全審查

由于反應(yīng)堆壓力容器屬于涉核設(shè)備，對(duì)于反應(yīng)堆壓力容器主螺栓修復(fù)，至少?gòu)囊韵滤姆矫孢M(jìn)行核安全審查[7]。

(1)法蘭螺紋應(yīng)力計(jì)算

由于RCC-M標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)缺少螺栓孔應(yīng)力驗(yàn)收準(zhǔn)則，因此法蘭螺紋應(yīng)力核安全審查范圍應(yīng)包括應(yīng)力集中系數(shù)選取合理性、平均剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

(2)擴(kuò)孔修復(fù)對(duì)水壓試驗(yàn)的影響

對(duì)于已經(jīng)經(jīng)過(guò)水壓試驗(yàn)的設(shè)備，在核安全審查中應(yīng)關(guān)注修復(fù)作業(yè)對(duì)水壓試驗(yàn)的影響。

(3)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證返修技術(shù)可靠性

審查關(guān)注模擬試驗(yàn)所使用模擬體尺寸及材料選擇，以及試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)刀量、找正對(duì)中控制、切削量等參數(shù)。

(4)經(jīng)驗(yàn)反饋的審查

核安全審查重視不符合項(xiàng)處理所做的經(jīng)驗(yàn)反饋工作，包括對(duì)技術(shù)和管理方面的措施，以及對(duì)其他機(jī)組類似設(shè)備的管理反饋等。

5 結(jié)論

文中涉及的福清核電某機(jī)組反應(yīng)堆壓力容器主螺栓卡澀問(wèn)題，處理后螺紋卡澀缺陷已消除，經(jīng)核動(dòng)力院正式確認(rèn)均滿足使用功能，不影響設(shè)備安全，并經(jīng)反應(yīng)堆一回路水壓試驗(yàn)驗(yàn)證滿足設(shè)計(jì)要求。按照以上壓力容器主螺栓缺陷處理工藝完成修復(fù)，既消除了設(shè)備零部件損傷，保障核級(jí)設(shè)備可靠性及核安全，又為機(jī)組換料大修周期節(jié)約了時(shí)間。