穩(wěn)壓器法蘭螺孔修復(fù)工藝控制與誤差分析

郭軼波

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

核電廠主設(shè)備壓力容器、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器的人孔、檢查孔的螺孔普遍采用沉孔結(jié)構(gòu)，在制造、安裝、服役過(guò)程中，由于加工、使用、保養(yǎng)等原因，本體的部分螺栓孔可能產(chǎn)生損壞。對(duì)于不能簡(jiǎn)單處理或原樣接受的缺陷，可采用擴(kuò)孔攻絲后安裝螺紋套的工藝修復(fù)。與制造階段對(duì)比，已安裝和服役的設(shè)備加工條件和環(huán)境因素發(fā)生變化，需要根據(jù)實(shí)際情況重新制訂加工工藝。同時(shí)由于在核電廠主設(shè)備上普遍開(kāi)始應(yīng)用整體螺栓拉伸機(jī)，需要考慮重新加工后的位置精度滿足整體螺栓拉伸機(jī)的使用要求。

壓力容器、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器的螺栓孔的擴(kuò)孔攻絲修復(fù)方法具有普遍性，但具體到個(gè)體設(shè)備上工藝有所區(qū)別和側(cè)重。本文重點(diǎn)描述某臺(tái)穩(wěn)壓器螺孔的修復(fù)工藝，說(shuō)明在工作位置和加工基準(zhǔn)變化的情況下，通過(guò)公差傳遞、誤差分析及工藝控制，保障最終加工尺寸滿足原設(shè)計(jì)要求和整體螺栓拉伸機(jī)的使用要求。

1 故障描述與分析

穩(wěn)壓器是壓水堆核電廠一回路的重要設(shè)備，穩(wěn)壓器是一個(gè)立式圓筒形容器，其承壓殼體由三段圓筒形殼體和上、下半球型封頭組焊而成，穩(wěn)壓器人孔是穩(wěn)壓器上封頭的一部分，由人孔座、人孔蓋、襯板及相關(guān)的密封件、緊固件組成，人孔座、緊固件、人孔蓋共同構(gòu)成穩(wěn)壓器人孔的壓力邊界(見(jiàn)圖1)。

圖1 穩(wěn)壓器上封頭和人孔座示意

某核電廠對(duì)穩(wěn)壓器進(jìn)行役前檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)多處螺紋孔損傷(見(jiàn)圖2)，缺陷表現(xiàn)為部分螺牙表面不平整，缺陷呈魚鱗狀，部分牙尖缺肉。

圖2 受損螺紋孔示意

該穩(wěn)壓器人孔座是一個(gè)單獨(dú)的鍛造結(jié)構(gòu)件，焊接在穩(wěn)壓器上封頭后進(jìn)行螺孔加工[1]，人孔螺栓底孔采用數(shù)控銑鏜加工，螺紋采用絲錐手工攻絲加工；螺紋加工工藝為在底孔基礎(chǔ)上4錐成型，其中前3錐為人孔座單體上加工，在人孔座與上封頭主體焊接并熱處理完成后進(jìn)行第4錐加工。內(nèi)螺紋在加工中產(chǎn)生缺陷的原因一般有加工中絲錐損傷、潤(rùn)滑不當(dāng)、受力不均勻、未及時(shí)清理切屑等。經(jīng)過(guò)對(duì)制造、驗(yàn)收、安裝和調(diào)試階段的記錄進(jìn)行調(diào)查及訪談，確認(rèn)本例螺紋產(chǎn)生的缺陷具體原因?yàn)楣ソz中未及時(shí)檢查和更換已鈍化的刀具，以及沒(méi)有及時(shí)清理切屑，屬于制造過(guò)程中的加工工藝不完善和質(zhì)量控制缺失。

經(jīng)過(guò)修磨處理后，仍有一個(gè)螺栓孔不滿足要求，由于已沒(méi)有加工余量，擬采取擴(kuò)孔攻絲后加裝螺紋套的工藝修復(fù)。

2 工藝方案分析

制訂工藝方案中主要考慮的技術(shù)上可行、質(zhì)量上可控、經(jīng)濟(jì)上合理。根據(jù)以上原則，方案主要從以下方面考慮：修復(fù)的目標(biāo)、工器具的選擇、工裝的設(shè)計(jì)、關(guān)鍵工藝控制等，闡述如下。

2.1 修復(fù)目標(biāo)

修復(fù)目標(biāo)確定了后續(xù)采取的工藝。本次維修的主要目標(biāo)是保障修復(fù)后的螺紋達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸精度要求和形位公差要求。穩(wěn)壓器人孔座的設(shè)計(jì)要求及修復(fù)目標(biāo)如表1所示。

由于維修工具的進(jìn)步，核島主設(shè)備如壓力容器、穩(wěn)壓器和蒸汽發(fā)生器的螺栓拉伸工具逐步由單體拉伸向整體拉伸發(fā)展，整體螺栓拉伸機(jī)的油缸布置密集，工作壓力高，配合間隙小，對(duì)螺栓理論中心線的形位公差要求高，因此維修的次要目標(biāo)是工藝上保證修復(fù)后的螺栓理論中心線滿足使用整體螺栓拉伸機(jī)使用要求，根據(jù)整體螺栓拉伸機(jī)制造商的設(shè)計(jì)要求和穩(wěn)壓器人孔設(shè)計(jì)圖紙，取穩(wěn)壓器人孔蓋板上表面的高度(從基準(zhǔn)面A沿螺紋孔軸線延伸150 mm)為延伸工差帶的參考基準(zhǔn)。

表1 維修前后的主要工藝指標(biāo)

注：未標(biāo)注單位均為mm。

2.2 工器具選擇

修復(fù)工藝包含擴(kuò)孔、攻絲、安裝螺紋絲套3個(gè)主要部分，所需選擇的加工工具需要具有鏜孔、攻絲功能。螺紋套的尺寸精度由產(chǎn)品保證，且容易更換，因此工藝中最為重要的是擴(kuò)孔和攻絲，擴(kuò)孔和攻絲的加工精度直接確定了最終尺寸精度和形位精度是否能夠滿足2.1節(jié)中位置度和垂直度修復(fù)目標(biāo)。

從工藝要求和經(jīng)濟(jì)型考慮，選擇電動(dòng)鏜床和液壓攻絲機(jī)分別用于底孔加工和攻絲工序。并對(duì)原手工攻絲工藝進(jìn)行了修改，從四錐手工成型改為機(jī)錐一次成型。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，選擇符合《用于ISO米制螺紋的螺紋絲套》》(DIN 8140-1)標(biāo)準(zhǔn)要求的EGM48×4的機(jī)用絲錐，選擇的絲錐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上對(duì)容屑進(jìn)行了優(yōu)化，并在切削刃上進(jìn)行了特殊表明涂層處理，有利于實(shí)現(xiàn)一次攻絲達(dá)到最終尺寸，獲得良好的表面質(zhì)量。

經(jīng)查閱標(biāo)準(zhǔn)要求[2]和參考同行實(shí)踐后選擇A型螺紋套EGM48×4，選用的螺紋套實(shí)現(xiàn)人孔座母材的加工量最小，無(wú)須使用異徑螺栓。

2.3 工裝設(shè)計(jì)

與制造階段的車間加工對(duì)比，使用移動(dòng)式機(jī)床加工中的機(jī)床固定方式、工件定位方式均發(fā)生了變化，其中固定方式由機(jī)床固定變成了工件固定，定位方式由數(shù)控機(jī)床定位變成了間接測(cè)量定位，加工基準(zhǔn)面轉(zhuǎn)變?yōu)槿丝鬃矫妫菘桌碚撝行木€的位置度由數(shù)控直接定位轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接測(cè)量。因此工裝設(shè)計(jì)須滿足如下要求：1)需要依靠附近螺孔進(jìn)行工裝自身的固定，同時(shí)提供鏜孔、攻絲設(shè)備安裝固定的接口；2)可以調(diào)整機(jī)加工設(shè)備與缺陷螺孔的相對(duì)位置，滿足軸線對(duì)中要求。

考慮到工藝要求，結(jié)合鏜床和液壓攻絲機(jī)的工作特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)操作空間的限制，主要加工工裝及用途如表2所示。

表2 主要工裝及用途

圖3 連接螺柱示意

圖4 攻絲導(dǎo)向板示意

3 誤差分析和工藝控制

在考慮原設(shè)備制造公差、移動(dòng)式機(jī)床的固有誤差的基礎(chǔ)上，對(duì)加工過(guò)程中產(chǎn)生的可能誤差進(jìn)行分析，作為方案可行性的檢驗(yàn)。

3.1 鏜孔和攻絲工藝

移動(dòng)式鏜孔機(jī)床以被修復(fù)螺孔為基準(zhǔn)，進(jìn)行安裝找正。使用人孔座加工平面作為基準(zhǔn)面A，使用輔助定位芯桿，機(jī)床打表的方法找到螺孔的近似中心線，參見(jiàn)圖5。

移動(dòng)式鏜孔機(jī)床通過(guò)被加工螺孔相鄰兩個(gè)螺栓孔來(lái)連接，加工基準(zhǔn)為擴(kuò)孔定位芯桿上部的光桿部分。

圖5 鏜孔找中方法

為了保證絲攻的中心盡可能接近擴(kuò)孔后光孔的中心，且垂直于基準(zhǔn)面A，使用攻絲定位芯桿來(lái)找光孔的中心，然后再使用攻絲導(dǎo)向板，讓攻絲導(dǎo)向板旋入攻絲定位芯桿頂部螺紋，找到攻絲的中心位置，再將攻絲導(dǎo)向板固定。將攻絲定位芯桿退出，將絲攻旋入攻絲導(dǎo)向板，使用液壓攻絲機(jī)驅(qū)動(dòng)絲攻，進(jìn)行螺紋加工。

3.2 誤差分析

通過(guò)上述擴(kuò)孔和攻絲工藝的分析，由于間接使用工裝來(lái)尋找原始螺孔和擴(kuò)孔后光孔的中心，加上移動(dòng)式設(shè)備找正的操作誤差，過(guò)程中每個(gè)步驟的理論極限誤差疊加后構(gòu)成了總極限誤差。以下分析各工藝的理論誤差，并對(duì)總體誤差進(jìn)行評(píng)價(jià)。

擴(kuò)孔工藝誤差由以下因素構(gòu)成：

1)擴(kuò)孔定位芯桿與螺孔同軸度誤差D1;

2)擴(kuò)孔定位芯桿同軸度誤差D2;

3)鏜床刀桿回轉(zhuǎn)中心同軸度誤差D3;

4)鏜床刀桿垂直度誤差D4。

攻絲工藝誤差由以下因素構(gòu)成：

1)攻絲定位芯桿(光桿)直徑與擴(kuò)孔后孔的間隙D5;

2)攻絲定位芯桿同軸度誤差D6;

3)攻絲導(dǎo)向板內(nèi)螺紋和定位芯桿外螺紋的位置度誤差D7;

4)攻絲導(dǎo)向板內(nèi)螺紋軸線垂直度延伸誤差D8。

如圖6所示，取螺紋帶工差[4]為M48×4-6H/5 h，內(nèi)螺紋中徑極限誤差為0.315 mm；定位芯桿外螺紋中徑極限誤差為0.190 mm，誤差c=0.315+0.190=0.505 mm,即D7=0.505 mm。

圖6 攻絲導(dǎo)向板螺紋帶工差示意

綜上所述，螺孔修復(fù)工藝?yán)碚撜`差匯總?cè)绫?所示。擴(kuò)孔工藝極限誤差Db=0.120 mm，攻絲工藝極限誤差Dt=0.572 mm，總位置度誤差為0.692 mm，滿足原設(shè)計(jì)位置度誤差1.000 mm的要求。延伸至螺栓拉伸機(jī)工作位置的位置度誤差0.692 mm，滿足整體螺栓拉伸機(jī)的使用要求(要求小于1.2 mm)。

從以上分析中，可以看出攻絲階段誤差大于擴(kuò)孔階段，對(duì)總誤差貢獻(xiàn)最大的因素是攻絲導(dǎo)向板內(nèi)螺紋和定位芯桿外螺紋的配合間隙誤差，應(yīng)對(duì)攻絲階段工裝進(jìn)行重點(diǎn)控制，當(dāng)出現(xiàn)與預(yù)期不符的結(jié)果時(shí)，可以優(yōu)先考慮從攻絲導(dǎo)向板的加工精度上改進(jìn)。

表3 誤差因素匯總

3.3 過(guò)程控制及結(jié)果驗(yàn)證

在理論分析了可行性后，還需要進(jìn)行過(guò)程控制，采取制訂專項(xiàng)的防異物方案、清潔方案和對(duì)關(guān)鍵步驟設(shè)置質(zhì)量監(jiān)督點(diǎn)增強(qiáng)工作質(zhì)量控制。

上述方案經(jīng)生效后，共進(jìn)行了3次工藝驗(yàn)證，結(jié)果均符合預(yù)期，證明工藝的可重復(fù)性較好。

4 結(jié) 論

通過(guò)理論計(jì)算、工藝驗(yàn)證和過(guò)程控制，驗(yàn)證穩(wěn)壓器人孔座螺孔維修方案具備可執(zhí)行性，工藝控制有效，結(jié)果具備可重復(fù)性。核電廠內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的螺孔在車間加工和調(diào)試運(yùn)行中損傷是普遍現(xiàn)象，帶來(lái)的后果是運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增加、工期損失和成本提高。核電廠主設(shè)備材料從材料、結(jié)構(gòu)、位置上的特殊性均反映出難以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行二次加工，應(yīng)充分進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)反饋和制訂措施，在后續(xù)制造過(guò)程中有針對(duì)性地編制加工工藝，明確檢查項(xiàng)目及驗(yàn)收準(zhǔn)則。制訂相應(yīng)質(zhì)量控制計(jì)劃，鼓勵(lì)報(bào)告制度，避免將前端產(chǎn)生的問(wèn)題帶到安裝和運(yùn)行后處理階段。