周建明，侯碩，沈 黎，鄧志燕，彭祥陽，路廣遙

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

反應(yīng)堆壓力容器是核電站核心的設(shè)備，壽命期內(nèi)不可更換[1]。正常運(yùn)行期間，反應(yīng)堆內(nèi)是高溫高壓流體，反應(yīng)堆壓力容器頂蓋與壓力容器法蘭之間通過58 根主螺栓和C 型密封環(huán)密封。由于每次換料大修均需通過主螺栓的旋出和旋入開關(guān)反應(yīng)堆壓力容器頂蓋，同時(shí)運(yùn)行期間螺栓和螺孔長期承受較大載荷，是關(guān)鍵易損部位。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反饋，國內(nèi)某新建核電站反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)行熱試關(guān)蓋時(shí)，三根主螺栓卡澀在螺孔內(nèi)，無法正常旋出，采用傳統(tǒng)工藝手段取出后發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)螺孔嚴(yán)重?fù)p傷，通過現(xiàn)場擴(kuò)孔的方式對螺孔進(jìn)行整體修復(fù)[2-4]，給工程進(jìn)度帶來了巨大影響，后續(xù)另一個(gè)核電站也出現(xiàn)了螺栓卡澀現(xiàn)象。

螺栓卡澀的原因非常復(fù)雜，螺栓本體制造過程、螺栓的維護(hù)和保養(yǎng)以及螺栓開啟和裝載設(shè)備的工藝過程均有可能成為螺栓卡澀的因素，很難找到普適的根本原因，甚至每次卡澀的原因都有可能不盡相同。雖然有一些研究論述了卡澀的原因，但是否正確和充分缺乏機(jī)理和實(shí)踐檢驗(yàn)。因此，隨著投運(yùn)機(jī)組的不斷增加，該事件發(fā)生的可能性也會(huì)隨之增大。如果發(fā)生在已投運(yùn)核電站，那么除了上述功能需求外，還需要做到現(xiàn)場放射性物質(zhì)的包容和人員受輻照劑量的控制，這對修復(fù)工藝和設(shè)備提出了更高的要求。國內(nèi)之前采用手工切割—鉆—擴(kuò)—鏜的工藝方法，效率極低；法國、美國公司也曾到現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)，沒有成功。之前的工藝和設(shè)備無任何輻射防護(hù)的相關(guān)措施，其技術(shù)本體也很難達(dá)到輻射防護(hù)要求。在已投運(yùn)的機(jī)組上取出卡澀螺栓難度大、時(shí)間短，一旦處理不當(dāng)，損失更大。因此，為了增強(qiáng)反應(yīng)堆壓力容器的運(yùn)行可靠性，避免重大經(jīng)濟(jì)損失，針對可兼容在運(yùn)電站的螺栓卡澀處理和螺孔擴(kuò)孔修復(fù)需求，開發(fā)更高效、安全可靠的工藝及成套設(shè)備已經(jīng)迫在眉睫。

1 輻射環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)影響分析

系統(tǒng)設(shè)備除了要提高原國內(nèi)設(shè)備的效率、精度和可靠性外，還要重點(diǎn)解決在運(yùn)電站適用的問題。在運(yùn)和新建電站的應(yīng)用差異主要體現(xiàn)在環(huán)境輻射和安裝空間的影響。

1.1 輻射環(huán)境影響分析

根據(jù)在運(yùn)電站的經(jīng)驗(yàn)反饋，正常維修實(shí)施位置的環(huán)境輻射水平一般控制在黃區(qū)上限以內(nèi)（具體視電站建造和運(yùn)行情況可能會(huì)有差異）。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)過程從以下幾個(gè)角度考慮。

（1）人員受照射劑量的最優(yōu)化；

（2）設(shè)備滿足輻射條件的使用要求；

（3）過程輻照源項(xiàng)的控制。

由于正常停堆沒有中子輻照，伽馬輻照對于設(shè)備金屬構(gòu)件的影響可以忽略不計(jì)，對于電氣部件的影響采用類比應(yīng)用的方式解決，比如電纜、傳感器和控制器選擇在同位置已經(jīng)成熟應(yīng)用設(shè)備的品牌和型號(hào)的元器件。所以在設(shè)計(jì)層面重點(diǎn)考慮對人的影響最小，以及對加工過程產(chǎn)物的最小化及控制在有限的范圍內(nèi)。

1.2 安裝空間差異分析

現(xiàn)場安裝空間的主要差異體現(xiàn)在在運(yùn)電站反應(yīng)堆壓力容器開蓋倒料后，需在開口處增加屏蔽頂蓋（假頂蓋）降低環(huán)境劑量率，如圖1 所示。該設(shè)施減少了設(shè)備的安裝和實(shí)施空間，在設(shè)備研發(fā)過程中要重點(diǎn)考慮相關(guān)尺寸的限制。

圖1 接口示意圖Fig.1 The schematic of interface

2 技術(shù)路線

根據(jù)研究目標(biāo)和輸入性影響，擬定技術(shù)路線如下：

（1）針對現(xiàn)場的使用需求，依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)類比分析、理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)選型和工藝選擇。

（2）開展成套設(shè)備和輔助設(shè)備的總體設(shè)計(jì)，就各部件的功能以及相互之間的連接、使用關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并確定了關(guān)鍵部件的相關(guān)材料選用與熱處理方案。

（3）對設(shè)備的核心部件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對設(shè)備的加工制造工藝進(jìn)行研究。

（4）開展原理驗(yàn)證試驗(yàn)和工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

（5）系統(tǒng)設(shè)備詳細(xì)設(shè)計(jì)，樣機(jī)試制。

（6）開展功能性試驗(yàn)鑒定研究，規(guī)定了試驗(yàn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)技術(shù)要求，在模擬體上完成性能鑒定試驗(yàn)。

3 工藝研究

3.1 國內(nèi)新建電站的處理工藝

國內(nèi)新建電站的螺栓卡澀處理的工藝主要包括切割、鉆孔、擴(kuò)鉆、鏜孔、取絲和檢測，擴(kuò)孔修復(fù)采用旋風(fēng)銑工藝[5-7]。

經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，國內(nèi)新建電站的處理工藝可行，總體工藝路線合理可借鑒，但受制于現(xiàn)場緊迫性，有些技術(shù)選用有較大的提升空間，并且需重點(diǎn)考慮投運(yùn)電站的差異化影響。

（1）工藝方法優(yōu)化，重點(diǎn)考慮安裝空間的差異，效率的提升和輻射防護(hù)；

（2）設(shè)備和功能集成優(yōu)化，滿足小型化模塊化要求，減少實(shí)施過程中更換設(shè)備和刀具。

3.2 工藝優(yōu)化分析

3.2.1 工藝方法優(yōu)化分析

本節(jié)以國內(nèi)新建電站的螺栓卡澀處理工藝為基礎(chǔ)，開展優(yōu)化分析。

卡澀螺栓切割的工藝方法對比分析如表1所示，綜合效率、輻射環(huán)境實(shí)施可行性等因素，優(yōu)選圓盤鋸銑的工藝方法。

表1 切割工藝方法對比分析Table 1 Comparison and analysis for cutting process methods

續(xù)表

殘余螺栓掏空方法的對比分析如表 2 所示，綜合效率、精度、輻射環(huán)境實(shí)施可行性等因素，優(yōu)選平面高速螺旋差補(bǔ)銑的工藝方法。

表2 掏空工藝方法對比分析Table 2 Comparison and analysis for tunneling process methods

取絲方法的對比分析如表3 所示，手工取絲簡單、實(shí)用和快速，且風(fēng)險(xiǎn)小，因此優(yōu)選手工剔牙。

表3 取絲方法對比分析Table 3 Comparison and analysis for thread drawing methods

螺紋整體擴(kuò)孔修復(fù)方法對比分析如表4 所示，綜合精度、輻射環(huán)境實(shí)施可行性等因素，優(yōu)選旋風(fēng)銑削的工藝方法。

表4 螺紋整體擴(kuò)孔修復(fù)方法對比分析Table 4 Comparison and analysis of the repair methods for integral reaming of thread

3.2.2 設(shè)備和功能集成優(yōu)化

針對國內(nèi)新建電站處理工藝存在的問題和短板，結(jié)合輻射環(huán)境的影響，設(shè)備和功能集成優(yōu)化主要從以下角度進(jìn)行分析。

（1）集成的可行性分析

設(shè)備集成可以顯著減少工序，提高設(shè)備的利用率并降低成本，但集成也可能導(dǎo)致設(shè)備臃腫，可靠性降低等問題，因此在集成時(shí)要全面考慮。

1）螺栓切割和殘余螺栓掏空過程的功能集成分析

二者從運(yùn)動(dòng)角度分析，均有主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)，是具備集成條件的。但從空間分析，滿足主螺栓側(cè)面切割工作過程需要盡可能小的主軸直徑和足夠大的圓盤鋸銑刀具，同時(shí)切割過程精度要求不高，但希望較高的效率，也就產(chǎn)生了較大的切削力。

根據(jù)公式（1）計(jì)算，最大切削力可達(dá)794 N，這對于要求高精度、大懸深加工的掏空過程來說就變得困難且不經(jīng)濟(jì)，更重要的是，加工空間難以滿足要求，對于支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)巨大。

2）殘余螺栓掏空過程和螺紋整體擴(kuò)孔修復(fù)的功能集成分析

二者從運(yùn)動(dòng)角度分析，均有主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)，并且均有精度需求，同時(shí)工位基本吻合，只是具體工藝、刀具和內(nèi)在算法有差異，因此具備集成條件。

綜上所述，選擇集成掏空和螺紋整體擴(kuò)修功能。

3）自動(dòng)排屑功能的集成分析

項(xiàng)目實(shí)施過程中，均會(huì)產(chǎn)生鐵屑。由于施工對象為反應(yīng)堆壓力容器，固有嚴(yán)格的引入異物要求。同時(shí)鐵屑因活化或表面沾污很可能本身也是源項(xiàng)，需要進(jìn)行收集和控制。如進(jìn)行人工收集，首先必然嚴(yán)重影響工作效率；其次人員參與過程一方面增加輻照劑量，還有外沾污和內(nèi)吸入的風(fēng)險(xiǎn)。因此最優(yōu)的做法是集成功能由設(shè)備自動(dòng)完成，具體方案如圖2 所示。

圖2 固廢自動(dòng)排出結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic of automatic discharge of solid wastes

螺栓切割裝置主要依靠護(hù)罩將鐵屑控制在內(nèi)腔范圍內(nèi)，利用鐵屑被切斷瞬間的動(dòng)能和工業(yè)真空裝置產(chǎn)生的真空將鐵屑排出。

殘余螺栓取出&主螺孔擴(kuò)修一體機(jī)的排屑過程要相對復(fù)雜，首先需要水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)至加工表面，垂直運(yùn)動(dòng)通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)，水平運(yùn)動(dòng)通過擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)，同時(shí)到達(dá)指定工位后還需要通過攪混使得鐵屑便于吸出，該功能同樣由擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)。

（2）輻射防護(hù)控制分析

根據(jù)2.1 節(jié)分析，結(jié)合輻射防護(hù)的工程實(shí)踐，主要從以下四個(gè)方面開展工作。

1）時(shí)間控制：提高系統(tǒng)設(shè)備工作效率、減少換設(shè)備換刀具次數(shù)，降低安裝和調(diào)整難度，有效縮短工作時(shí)間，減少人員的受照射劑量。

2）源項(xiàng)控制：采用無冷卻、無潤滑技術(shù)加工，做到無受到污染的放射性廢液排出。

3）屏蔽防護(hù)：實(shí)現(xiàn)了固體廢物的隔離和自動(dòng)收集，降低污染風(fēng)險(xiǎn)。

4）距離防護(hù)：采用遠(yuǎn)程控制，減少近端人員工作參與度，人員可在20 m 平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控和操作。

3.3 工藝路線

通過以上分析，確定本項(xiàng)目實(shí)施的工藝路線為：

圓盤鋸銑切割—高速平面高速銑削掏空—手工取絲—螺孔檢查和測量，如有必要通過旋風(fēng)銑削方法開展整體螺紋擴(kuò)孔修復(fù)。

4 設(shè)備開發(fā)

4.1 主要設(shè)計(jì)接口

反應(yīng)堆壓力容器主螺栓總長約為1 972 mm，擬切割部位直徑約為φ149.5 mm，與螺栓孔接觸部分螺紋為M155 × 4-3e4e sp，芯部通孔直徑為(φ25±0.15) mm。主螺栓孔螺紋為M155 × 4-5H4H sp。相關(guān)材質(zhì)如表5 所示[8]。

表5 螺栓螺孔主要材料參數(shù)Table 5 Main material parameters of the bolt screw hole

現(xiàn)場設(shè)備安裝尺寸接口須滿足屏蔽頂蓋已經(jīng)就位的空間需求。

4.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

針對設(shè)計(jì)接口和設(shè)備功能要求，開展驅(qū)動(dòng)及刀具選型計(jì)算，獲得系統(tǒng)設(shè)備的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

（1）螺栓切割裝置

1）進(jìn)給速度：3～3 000 mm/min；

2）進(jìn)給移動(dòng)范圍：0～200 mm；

3）螺栓切割工作時(shí)間75 min。

（2）殘余螺栓取出和擴(kuò)孔修復(fù)設(shè)備

1）四軸聯(lián)動(dòng)六自由度；

2）X、Y、Z向進(jìn)給最大速度：6 000 mm/min；

3）X、Y、Z向進(jìn)給移動(dòng)范圍：X、Y向：0～160 mm，Z向：0～400 mm；

4）定位精度：0.012 mm；

5）殘余螺栓取出工作時(shí)間280 min；

6）螺孔擴(kuò)孔修復(fù)精度4H5H，粗糙度Ra1.6；

7）無冷卻潤滑加工，無廢液排出；

8）遠(yuǎn)程監(jiān)控；

9）固廢的自動(dòng)收集；

4.3 設(shè)備組成和功能原理

本項(xiàng)目研制的設(shè)備包括：螺栓切割裝置，殘余螺栓取出和擴(kuò)孔修復(fù)設(shè)備，螺孔梳理裝置，螺孔局部銑削裝置和配套的電氣柜、操作臺(tái)、遠(yuǎn)程控制臺(tái)、吸屑裝置等，如圖3 所示。

圖3 設(shè)備實(shí)物圖Fig.3 The picture of equipment

（1）螺栓切割裝置

執(zhí)行模塊：大尺寸圓盤鋸銑削去除材料原理；

動(dòng)作模塊：主軸旋轉(zhuǎn)，單向進(jìn)給；

吸屑模塊：真空負(fù)壓。

（2）殘余螺栓取出和擴(kuò)孔修復(fù)設(shè)備

執(zhí)行模塊：螺旋插補(bǔ)和旋風(fēng)銑削去除材料原理；

動(dòng)作模塊：4 軸聯(lián)動(dòng)，6 自由度；

吸屑模塊：真空負(fù)壓，擺動(dòng)吸屑，固廢自動(dòng)收集；

視覺模塊：補(bǔ)光、可視化和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.4 主要工作過程

（1）設(shè)備利用相鄰螺孔進(jìn)行安裝和初定位。

（2）卡澀螺栓取出

1）通過銑削去除材料的原理切割螺栓至法蘭面；

2）通過螺旋插補(bǔ)原理加工殘余螺栓至螺栓小徑；

3）將加工后的殘余部分通過卷絲的方式取出。

（3）損傷評估和螺孔修復(fù)

1）螺孔出現(xiàn)輕微扭曲、積屑坍塌等缺陷應(yīng)用便攜式梳理裝置通過不除去凸出母體材料的方式，刀具緊貼原螺紋，沿原螺紋輪廓線進(jìn)行走刀的方式去除；

2）螺孔出現(xiàn)局部小范圍不可逆的缺陷采用便攜式銑削裝置定位至缺陷位置將缺陷通過銑削的方式切除；

3）螺孔出現(xiàn)較大范圍不可逆的缺陷首先通過紅外高精度測量系統(tǒng)測量原螺紋輪廓情況；而后采用四軸聯(lián)動(dòng)六自由度的擴(kuò)孔處理設(shè)備通過旋風(fēng)銑削原理擴(kuò)螺紋孔修復(fù)原螺孔。

具體工作過程如圖4 所示。

圖4 工作過程圖Fig.4 The working process

5 測試檢驗(yàn)及試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 測試檢驗(yàn)

針對殘余螺栓取出和螺孔整體擴(kuò)修裝置，開展了幾何精度和位置度檢測，檢測結(jié)果高于標(biāo)準(zhǔn)[9,10]，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具備現(xiàn)場使用條件。

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)備完成調(diào)試后，根據(jù)國內(nèi)某電站實(shí)際模擬試驗(yàn)的實(shí)施過程，結(jié)合新設(shè)備研制的具體要求，主要試驗(yàn)項(xiàng)目類別如下：

（1）參照標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)技術(shù)要求開展設(shè)備的功能測試和參數(shù)測定[9,10]。

（2）模擬現(xiàn)場卡澀完整過程處理，試驗(yàn)在模擬體上進(jìn)行，模擬體模擬現(xiàn)場的空間位置和尺寸，同時(shí)模擬體的材料特征與現(xiàn)場采用同等技術(shù)要求。

經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)測試，獲得設(shè)備主要參數(shù)及與同類設(shè)備的對比如表6 所示。

表6 主要參數(shù)對比Table 6 Comparison of main parameters

6 結(jié)論

本課題基于M310 壓水堆型的壓力容器開發(fā)，經(jīng)過測試和試驗(yàn)，可以滿足新建核電站和在運(yùn)電站的主螺栓卡澀處理和螺孔修復(fù)的實(shí)際需求。

本項(xiàng)目研制的產(chǎn)品為核電廠重要設(shè)備的安全提供強(qiáng)有力的設(shè)備支撐和保障，對于提升核電廠運(yùn)維技術(shù)水平具有重要意義，在電站出現(xiàn)類似事件時(shí)，可減少遭受重大經(jīng)濟(jì)損失的可能性，同時(shí)兼顧放射性物質(zhì)源項(xiàng)控制和減少人員的受輻射劑量，潛在的供方廣泛，具有巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

本項(xiàng)目研發(fā)產(chǎn)品經(jīng)適應(yīng)性改進(jìn)即可用于其它堆型核電廠壓力容器以及其它電力、船舶、石化等行業(yè)大型容器現(xiàn)場出現(xiàn)類似問題的處理。