“華龍一號”反應堆壓力容器主螺栓缺陷處理工藝研究

韓文悅，王永鵬，崔運佳，莊澤楠

(中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

“華龍一號”示范工程的安全穩(wěn)定運行對推動我國核電發(fā)展、實現(xiàn)強國戰(zhàn)略具有重要意義。反應堆壓力容器作為核安全關(guān)鍵設(shè)備，在“華龍一號”機組服役期間，需多次執(zhí)行壓力容器頂蓋開關(guān)操作。操作過程中，需要利用螺栓拉伸機對主螺栓拆除及安裝，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，強烈摩擦會產(chǎn)生積屑瘤[1]，導致主螺栓旋至一定深度時卡住，無法繼續(xù)旋入且出現(xiàn)無法退出的情況，直接影響核反應回路邊界完整性，對核安全構(gòu)成威脅，因而反應堆壓力容器的主螺栓缺陷處理工藝研究越來越受到核技術(shù)領(lǐng)域的重視。

在已建“華龍一號”機組的反應堆壓力容器建造、安裝及運行過程中，福清核電某“華龍一號”機組于換料大修打開壓力容器頂蓋期間，使用整體螺栓拉伸機拆除41號主螺栓過程中，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，在不擴大損傷螺紋孔的情況下，通過對主螺栓破壞性拆除的方式進行處理。本文結(jié)合此次反應堆壓力容器主螺栓缺陷案例，對缺陷處理工藝進行研究。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及功能

“華龍一號”機組反應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60顆，均勻安裝在反應堆壓力容器筒體法蘭上，如圖1所示。

圖1 反應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)過錳基磷化處理，通過化學除油、酸洗、磷化淤渣、烘干鈍化等一系列化學反應處理，在主螺栓表面生成一層非金屬的、不導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根測量桿，主螺栓拉伸時通過測量主螺栓頂端與測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 主螺栓緊固對中

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

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

主螺栓對中過程通過擰主螺栓機器人完成，主要由動力驅(qū)動裝置、旋轉(zhuǎn)操作裝置以及控制報警裝置三部分組成，具體如圖4所示。主螺栓拉伸機器人以螺栓孔為基準，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，依靠主螺栓下部導向段與螺紋孔內(nèi)螺紋的導向作用實現(xiàn)對中跟隨。主螺栓旋入主螺紋孔后，提升驅(qū)動裝置萬向節(jié)自適應補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，過程控制要素為螺紋嚙合力矩[3]。

圖4 主螺栓機器人結(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”反應堆壓力容器主螺栓出現(xiàn)缺陷的情況下，在旋出與旋入過程中，主螺栓機器人螺紋嚙合力矩值會發(fā)生報警。以某華龍一號機組大修為例，水壓試驗后需對反應堆壓力容器進行開蓋操作，其中41號主螺栓在順利旋出30 mm后，主螺栓機器人出現(xiàn)螺紋嚙合力矩值過力矩報警，表明主螺栓此時旋出力矩已大于載入螺紋嚙合報警力矩值100 N·m，反轉(zhuǎn)主螺栓發(fā)現(xiàn)不能退出。通過調(diào)增主螺栓機器人旋出力矩值至限值200 N·m，仍無法將主螺栓旋出，表明主螺栓此時已出現(xiàn)缺陷故障，如繼續(xù)增大旋出力矩值將會加大反應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)合應力-強度干涉模型，利用ANSYS程序的概率分析功能可求出反應堆壓力容器母材強度可靠度為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，更大幾率為主螺栓孔結(jié)構(gòu)損壞，較常見的損壞表征為大扭矩作用下旋入和旋出時強烈摩擦產(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多的情況，同樣可能促使主螺栓缺陷?，F(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，導致過量涂抹的抗咬合劑在螺紋旋合過程中，持續(xù)積聚在螺紋孔下部的間隙中。華龍一號機組滿負荷時反應堆一回路冷卻劑的平均溫度為310 ℃，抗咬合劑長期處于高溫環(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，螺紋副的峰、谷相互嚙合，隨著扭矩的不斷增大，接觸表面開始發(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切掉，這個切削過程不斷重復發(fā)生，破壞了螺紋副接觸表面的潤滑狀態(tài)，增大了摩擦傾向。被切削的結(jié)痂顆粒隨著主螺栓的運動發(fā)生位移，并進一步聚積、相互黏著，具體如圖6所示，當其達到一定尺寸后使螺紋副的間隙被填滿，產(chǎn)生過盈配合，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

針對反應堆壓力容器存在缺陷的主螺栓，通過切割、鉆孔、鏜削等一系列機械加工工藝進行破壞性拆除及修復。缺陷處理過程中考慮工作人員及設(shè)備自身安全，除設(shè)置必要的輻射防護措施，如放射性場地去污、搭設(shè)SAS棚、覆蓋鉛材質(zhì)金屬皮等，還應關(guān)閉RNI蓋板、清理相鄰主螺栓孔并通過四氟乙烯等較軟材料作螺紋保護，便于機加工工器具架設(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發(fā)生缺陷的情況，但需對機加工工器具進行適應性改裝。

3.1 主螺栓切割

在缺陷主螺栓旁架設(shè)坡口機，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，在坡口機回轉(zhuǎn)刀臂上安裝百分表，以螺栓外徑為基準，轉(zhuǎn)動坡口機回轉(zhuǎn)刀臂部分，校正刀臂運動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動坡口機，在坡口機正常工作狀態(tài)下，盡量切割最大深度，根據(jù)試驗模擬經(jīng)驗，進刀量控制在(1.5±0.1)mm/min，實際切割操作時可根據(jù)具體情況進行調(diào)整。

基于反應堆工作區(qū)域外來引入異物對核安全的影響，壓力容器法蘭面以下范圍需進行防護，防止切削產(chǎn)生的碎屑進入反應堆一回路系統(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合金元件包殼的風險，進而導致燒結(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)液壓磁力鉆床實施鉆孔加工。提前測量主螺栓缺陷狀態(tài)下螺紋載入的長度，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施擴孔操作，一般選用尺寸為φ107的鉆頭，并配上φ12～φ25的鉆孔導向頭，調(diào)整鉆床中心使鉆孔導向頭能夠自由插入和退出主螺栓中心鉆孔，正確發(fā)揮鉆孔過程中的導向作用，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。安裝鏜刀開機在線機加工，鏜刀進刀速度≤0.5 mm/min。鏜削過程中多次測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)動情況，如鏜削過程中主螺栓已開始跟隨鏜刀轉(zhuǎn)動方向移動，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好已經(jīng)取出螺牙的內(nèi)螺紋面，使用手動氣銑工具，小心銑削剩余螺栓小徑厚實部份，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

缺陷主螺栓拆除后需對主螺紋孔進行檢查，如果缺陷較小，可使用主螺栓長桿梳刀裝置進行修復，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

如果缺陷無法通過常規(guī)手段消除，則需對主螺栓孔進行擴孔修復。目前業(yè)界內(nèi)普遍采用沿主螺栓孔原螺旋線擴孔修復、重新加工新螺紋擴孔修復和增加襯套修復三種方案，美國 Hydratight 公司和法國 EDF 公司分別研發(fā)了相應的機加工設(shè)備，國內(nèi)德陽中瑞研發(fā)的移動式多功能內(nèi)螺紋加工機，且已有實際修復案例證明其可行性[6]。

4 修復后核安全審查

由于反應堆壓力容器屬于涉核設(shè)備，對于反應堆壓力容器主螺栓修復，至少從以下四方面進行核安全審查[7]。

(1)法蘭螺紋應力計算

由于RCC-M標準內(nèi)缺少螺栓孔應力驗收準則，因此法蘭螺紋應力核安全審查范圍應包括應力集中系數(shù)選取合理性、平均剪切應力計算結(jié)果。

(2)擴孔修復對水壓試驗的影響

對于已經(jīng)經(jīng)過水壓試驗的設(shè)備，在核安全審查中應關(guān)注修復作業(yè)對水壓試驗的影響。

(3)模擬試驗驗證返修技術(shù)可靠性

審查關(guān)注模擬試驗所使用模擬體尺寸及材料選擇，以及試驗過程中進刀量、找正對中控制、切削量等參數(shù)。

(4)經(jīng)驗反饋的審查

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

5 結(jié)論

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