某核電廠反應(yīng)堆壓力容器法蘭螺栓咬死問(wèn)題處理研究

施英杰

【摘 要】某核電站反應(yīng)堆壓力容器法蘭螺栓在工程調(diào)試期間出現(xiàn)了螺栓咬死問(wèn)題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)處理后發(fā)現(xiàn)螺孔螺紋出現(xiàn)了損傷，針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)螺栓咬死的原因進(jìn)行了分析，明確了螺栓咬死的根本原因。針對(duì)存在的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)分別采取手動(dòng)拆卸，切削鉆取等方法將卡澀的螺栓取出，并對(duì)螺孔螺紋進(jìn)行了處理，有效解決了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備問(wèn)題。

【Abstract】During the commissioning of the project， bolt failure occurred in the flange bolt of reactor pressure vessel in a nuclear power plant. After field treatment， it was found that the screw hole thread was damaged. In view of the existing problems， the cause of bolt failure is analyzed， and the root cause of bolt failure is defined. In view of the existing problems， manual removal， cutting and drilling are adopted to remove the stuck bolts， and the screw thread was processed and the equipment problem in the field was effectively solved.

【關(guān)鍵詞】螺栓咬死；反應(yīng)堆壓力容器；原因分析；處理

【Keywords】 bolt failure； reactor pressure vessel； cause analysis； treatment

【中圖分類號(hào)】TM623.7 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）07-0172-02

1 引言

反應(yīng)堆壓力容器為核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主設(shè)備之一，固定和包容堆芯及堆內(nèi)構(gòu)件，使核燃料的裂變反應(yīng)限制在一個(gè)密封的空間內(nèi)進(jìn)行。它和一回路管道共同組成高壓冷卻劑的壓力邊界，是防止放射性物質(zhì)外逸的第二道屏障之一。在筒體法蘭上鉆有58個(gè)螺孔，用以安裝螺栓與頂蓋密封，螺栓擰入過(guò)程中如果發(fā)生螺栓咬死的情況，處理起來(lái)比較困難，且影響較大。

2 反應(yīng)堆壓力容器頂蓋螺栓咬死案例分析

某核電站在調(diào)試期間關(guān)閉反應(yīng)堆壓力容器頂蓋，出現(xiàn)了3顆法蘭螺栓咬死，編號(hào)分別為19、33、55號(hào)。螺栓咬死后，采用松動(dòng)劑浸泡，銅棒敲擊、加大反轉(zhuǎn)力矩?cái)Q出幾圈后徹底不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

反應(yīng)堆壓力容器法蘭螺栓一共有58顆，螺栓規(guī)格為M155×4，螺栓材質(zhì)為40NCDV7.03，重量約為270kg，壓力容器材質(zhì)為錳鎳鉬低合金鋼（16MND5），螺栓由整體螺栓拉伸機(jī)自動(dòng)擰入。在螺栓出現(xiàn)咬死后，由于螺栓尺寸較大，現(xiàn)場(chǎng)加工了工裝首先對(duì)缺陷螺栓進(jìn)行了切斷，然后對(duì)斷掉的螺栓從中心進(jìn)行擴(kuò)孔，最后擴(kuò)孔至（149.60～149.80）mm，使得螺栓只留有約1mm的薄片后把殘余的部分取出。取出后對(duì)螺孔螺紋檢查，19號(hào)和33號(hào)螺孔螺紋損傷較輕，經(jīng)過(guò)常規(guī)的修復(fù)后滿足使用條件。

對(duì)29號(hào)螺孔螺紋使用梳刀、銑刀、打磨、拋光等工具對(duì)損傷螺紋進(jìn)行了銑削去除和拋光打磨，初步修復(fù)后檢查發(fā)現(xiàn)較多螺紋扣出現(xiàn)損傷，29號(hào)螺孔總體情況如下：①第2-20扣螺紋，中徑實(shí)測(cè)值超出設(shè)計(jì)最大值152.667mm，其中8-18扣螺紋中徑值達(dá)到或超過(guò)M156螺孔中徑值范圍；②第21-55扣螺紋尺寸符合設(shè)計(jì)要求；

使用螺孔視頻檢查工具間接目視，螺紋損傷情況嚴(yán)重。

3 原因分析

螺栓在擰入螺孔的過(guò)程中，出現(xiàn)咬死、損傷螺紋是工程機(jī)械常見(jiàn)的問(wèn)題。螺栓在旋入過(guò)程中，螺紋之間產(chǎn)生摩擦和切削，因此產(chǎn)生一些細(xì)小的碎屑，這些碎屑隨著螺栓的旋轉(zhuǎn)跟隨移動(dòng)，并且不斷積累，隨著碎屑的積累變大，對(duì)螺紋表面的切削也逐漸增加，當(dāng)碎屑累積到一定大小后，形成積屑瘤，并在摩擦產(chǎn)生的熱量的作用下，釬焊在螺栓的螺紋表面，最終使得螺栓咬死。

針對(duì)前述問(wèn)題，為了查找螺栓咬死的根本原因，對(duì)螺栓及螺孔材質(zhì)及硬度，螺栓擰入的過(guò)程，最后，結(jié)合咬死的理論與現(xiàn)場(chǎng)螺紋損傷的具體情況，綜合分析得出本次螺栓咬死的根本原因。

3.1 材質(zhì)分析

反應(yīng)堆壓力容器本體螺孔材質(zhì)為16MND5，主要用于制作核電工程中蒸發(fā)器、穩(wěn)壓器、壓力容器及封頭、支撐部件。螺孔材質(zhì)16MnD5力學(xué)性能：HB=200，Rm=550-670Mpa，Rp0.2≥400Mpa；螺栓材料為40NCDV7-0.3力學(xué)性能：Rp0.2≥900Mpa， Rm=1000-1170Mpa，HB=302-375。從力學(xué)性能來(lái)看，螺栓材質(zhì)的硬度比法蘭螺紋的硬度（相差約100HB），螺栓在下旋過(guò)程中形成積屑瘤產(chǎn)生高溫并在螺紋之間產(chǎn)生塑性變形，使其硬度高于法蘭螺孔材質(zhì)的硬度，積屑瘤在螺栓與螺孔螺紋之間，隨著螺栓的旋入在法蘭螺紋螺牙上留下了溝痕，造成了螺紋損傷。

3.2 螺栓擰入過(guò)程分析

反應(yīng)堆壓力容器螺栓擰入由整體螺栓拉伸機(jī)進(jìn)行，由機(jī)器的機(jī)械手抓取螺栓后自動(dòng)擰入，由于螺栓自重有270kg，螺栓緩慢下降到螺孔的第一扣螺紋，然后自動(dòng)旋入，剛開(kāi)始是慢速，在擰入幾扣后速度開(kāi)始上升，同時(shí)機(jī)械手上有重力補(bǔ)償，防止螺栓螺紋與螺孔螺紋摩擦，在擰入的過(guò)程中有力矩進(jìn)行控制，超過(guò)150N.m后會(huì)有報(bào)警，同時(shí)機(jī)械手停止動(dòng)作，需要人工進(jìn)行干預(yù)，查找原因。最大的力矩值不能超過(guò)200N.m。力矩出現(xiàn)報(bào)警的情況，主要有以下幾個(gè)方面：

①螺孔螺栓接觸部位存在異物，在結(jié)合處形成卡澀。本次在螺栓擰入前對(duì)螺栓及螺孔螺紋進(jìn)行了仔細(xì)檢查，記錄顯示此情況的可能性較小。

②螺栓在下降的過(guò)程中，首扣出現(xiàn)了磕碰，造成了螺紋凸出螺紋表面，在旋入的過(guò)程中不斷把螺牙上的材料帶下來(lái)最終超過(guò)擰入的力矩保護(hù)值。咬死螺栓拆除后發(fā)現(xiàn)首扣螺紋有變形。

從以上幾個(gè)方面分析可以看出，反應(yīng)堆壓力容器螺孔及螺栓材質(zhì)滿足相關(guān)技術(shù)要求及規(guī)范，螺栓在擰入過(guò)程中，整體螺栓拉伸機(jī)出現(xiàn)了報(bào)警并及時(shí)停了下來(lái)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)反饋信息，原因分析如下：①在此次事件前，反應(yīng)堆壓力容器開(kāi)關(guān)頂蓋在在役機(jī)組執(zhí)行了多次，未出現(xiàn)螺栓咬死的反饋，判斷出現(xiàn)此問(wèn)題為個(gè)別問(wèn)題。②由于有整體螺栓拉伸機(jī)的力矩保護(hù)，在該力矩下不足以造成螺孔材料出現(xiàn)較大的屈服。從螺孔螺紋的損傷情況看，在出現(xiàn)卡澀后處理時(shí)使用較大的力矩進(jìn)行了反復(fù)操作導(dǎo)致，造成了螺紋力矩出現(xiàn)過(guò)載。

綜上所述，本次螺栓咬死的可能原因是拉伸機(jī)在擰入螺栓過(guò)程中首扣出現(xiàn)了磕碰，由于有力矩保護(hù)，螺栓卡澀在某一個(gè)地方，但是由于在后面處理卡澀的過(guò)程中使用了較大的力矩，導(dǎo)致螺栓孔螺紋出現(xiàn)了大面積的損傷。

4 處理方案

內(nèi)螺紋缺陷處理常見(jiàn)的方法有：用絲錐修復(fù)，對(duì)螺紋孔擴(kuò)孔并安裝螺紋絲套、對(duì)螺紋孔擴(kuò)孔更換更大尺寸的螺栓。

由于螺紋損傷較大，且第2到20扣中徑值已經(jīng)超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法滿足要求，故此種方案排除。

安裝螺套需要對(duì)螺孔進(jìn)行擴(kuò)孔，由于螺孔旁邊有反應(yīng)堆壓力容器的堆焊層，距離較近，如果采用安裝螺套的方案，會(huì)對(duì)堆焊層有影響，故采用直接擴(kuò)孔的方案。

5 修復(fù)方案實(shí)施

在確定實(shí)施方案后，對(duì)螺孔進(jìn)行了清潔，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施前，采用模擬件進(jìn)行了反復(fù)模擬的操作，優(yōu)化了機(jī)床定位找中方法，也驗(yàn)證了方案的可行性。

從出現(xiàn)咬死后，現(xiàn)場(chǎng)具體實(shí)施情況如下：

5.1 安裝工裝對(duì)主螺栓進(jìn)行切割

在需要切割的主螺栓左側(cè)相鄰螺孔位置，安裝螺栓防傾倒裝置假螺栓，將螺栓從法蘭面上部約25mm處割斷。在切割前需要對(duì)附近的螺孔的螺孔及法蘭密封面進(jìn)行保護(hù)。

5.2 螺栓掏空、取絲

主要工藝如下：①使用工裝進(jìn)行找中，確定機(jī)床主軸與螺孔中心重合。②殘余螺栓掏空：加工螺紋孔內(nèi)螺栓，直至內(nèi)徑為Φ149.60～Φ149.80mm時(shí)止。③螺孔內(nèi)取殘絲：配合使用手動(dòng)工具，將存留在主螺栓孔中的螺紋絲卷出來(lái)。

5.3 用車(chē)床銑螺紋

更換銑螺紋的專用刀頭、刀片。按照銑螺紋到M157×4進(jìn)行，螺孔螺紋中徑的標(biāo)準(zhǔn)值154.406～154.667mm。在擴(kuò)孔盡心螺紋加工的過(guò)程中，中徑值的控制非常重要。最后使用專用的通止規(guī)進(jìn)行檢查，測(cè)量中徑尺寸，確認(rèn)滿足要求。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)本次出現(xiàn)的螺紋損傷，對(duì)原因進(jìn)行了分析研究后，確定螺紋損傷的根本原因是拉伸機(jī)在擰入螺栓過(guò)程中首扣出現(xiàn)了磕碰，由于有力矩保護(hù)，螺栓卡澀在某一個(gè)地方，但是由于在后面處理卡澀的過(guò)程中使用了較大的力矩，導(dǎo)致螺栓孔螺紋出現(xiàn)了大面積的損傷。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及螺紋損傷情況，制定了對(duì)螺孔進(jìn)行擴(kuò)孔處理的方案，制作了工裝，對(duì)方案在模擬體上反復(fù)試驗(yàn)，不斷修改工裝，修改工藝參數(shù)，在完成模擬試驗(yàn)后，在現(xiàn)場(chǎng)一次處理成功。

反應(yīng)堆壓力容器是核電站重要的不可更換設(shè)備，在反應(yīng)堆開(kāi)關(guān)蓋期間要盡量避免螺栓咬死的情況，應(yīng)對(duì)螺栓及螺孔螺紋的檢查、潤(rùn)滑、擰入擰出的速度及力矩進(jìn)行有效控制，在出現(xiàn)咬死后處理措施要保守，盡量避免對(duì)螺孔螺紋的損壞。螺栓咬死后的取出以及螺孔螺紋缺陷的處理的研究，為工程及運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)該類問(wèn)題提供了解決方案，提高了設(shè)備的可靠性。