CRDM耐壓殼頂部螺母咬死分析與處理

林藝軍

摘 要

秦山320MWe機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼部件在大修檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)圓螺母經(jīng)常出現(xiàn)咬死故障，容易引起耐壓殼本體損傷，導(dǎo)致大修作業(yè)的延誤，具有極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)該故障現(xiàn)象，介紹了耐壓殼部件的相關(guān)結(jié)構(gòu)組成，對(duì)導(dǎo)致螺母咬死的原因進(jìn)行分析和討論，并制定了處理措施，解決個(gè)別螺母完全咬死的問(wèn)題，通過(guò)研發(fā)可行的專用工具，分別處理咬死螺母的拆卸和損傷螺紋修復(fù)兩個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，并對(duì)耐壓殼部件進(jìn)行改進(jìn)，增加專用石墨墊片，優(yōu)化螺母結(jié)構(gòu)，減少咬死概率。通過(guò)該問(wèn)題的成功處理，避免了耐壓殼本體的損傷風(fēng)險(xiǎn)，保證了設(shè)備的安全可靠性，為其它類似結(jié)構(gòu)的處理提供了維修借鑒和經(jīng)驗(yàn)，值得采用和推廣。

關(guān)鍵詞

耐壓殼;螺母咬死;專用工具;改進(jìn)

中圖分類號(hào)： TL351.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 36

Abstract

When inspect the CRDM Pressure Housing Assembly during the overhaul of Qinshan 320MWe unit， found that round nuts frequently came across nut bite failure， which can easily cause the damage of Pressure Housing Assembly body damage， lead to delay the overhaul work， and have a great safety risk. Focusing on the failure phenomenon， this thesis describes the structure of Pressure Housing Assembly， analyses and discusses the real reason leading to round nut bite failure， and makes the measures to solve the problems of individual nut bite failure， by designing the viable special tools to handle these two difficult issues respectively， which are the removal of seizure nut and the repair of damage thread， and improves the Pressure Housing Assembly by increasing the special graphite gasket，optimizes the structure of nut and reduces the probability of seizure failure. By successfully solving the problems， it can avoid the damage risk of Pressure Housing Assembly body， ensure the safety and reliability of the component， and provide reference and experience for the repair of other similar structures. It is worth using and spreading.

Key words

Pressure Housing Assembly; Nut bite failure; Special tools; Improvement

0 前言

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）是反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)的重要組成，用于提升、下降或快插控制棒，從而調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率和安全啟動(dòng)、停止反應(yīng)堆。它是直接影響反應(yīng)堆正常穩(wěn)定運(yùn)行以及安全可靠的關(guān)鍵設(shè)備之一。秦山320MWe機(jī)組的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由5個(gè)部件組成：驅(qū)動(dòng)軸部件、鉤爪部件、耐壓殼部件、磁軛部件和位置指示器部件。其中，耐壓殼部件是反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)的壓力邊界，具有十分重要的密封作用。大修期間，根據(jù)需要對(duì)棒位指示線圈、磁軛線圈以及頂部放氣閥進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)拆卸耐壓殼頂部的圓螺母時(shí)容易出現(xiàn)螺母卡澀、咬死的情況，因設(shè)備本體的特殊性和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境的局限性，導(dǎo)致修復(fù)作業(yè)的困難，處理過(guò)程中極有可能造成耐壓殼本體螺紋的不可逆破壞，直接導(dǎo)致大修主線作業(yè)的延誤，具有極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 故障機(jī)理分析

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

耐壓殼部件由密封殼、行程套管、錐形放氣閥等組成，耐壓殼部件是支撐鉤爪部件并將鉤爪部件和驅(qū)動(dòng)軸部件包容在反應(yīng)堆內(nèi)的一個(gè)承壓部件。耐壓殼部件殼體內(nèi)是一回路冷卻劑，其外為反應(yīng)堆大廳環(huán)境。此外，它還支承了磁軛線圈部件和棒位探測(cè)器部件，因此，耐壓殼部件又是整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的支承部件。

耐壓殼頂部行程套管為螺紋桿結(jié)構(gòu)，咬死問(wèn)題主要出現(xiàn)在與其配合的三個(gè)圓螺母部位。螺紋桿內(nèi)部中空，放置了一個(gè)錐形放氣閥，上部依次為纏繞式密封墊、封頭蓋，并通過(guò)上部壓緊螺母提供壓緊力。其中，錐形放氣閥提供一次密封，為安全邊界，而上部壓緊螺母為壓緊裝置，對(duì)密封墊的二次密封提供壓緊作用，為非安全邊界。在其下方還有下部壓緊螺母和防松螺母，下部壓緊螺母用于對(duì)棒位探測(cè)器提供緊固力，防松螺母則用于防止因長(zhǎng)時(shí)間的作用導(dǎo)致螺母松脫，兩個(gè)螺母與螺紋桿嚙合的位置也是咬死的常見(jiàn)部位。

1.2 故障分析

大修發(fā)現(xiàn)，CRDM頂部螺母與螺桿螺紋出現(xiàn)卡澀咬死現(xiàn)象比較普遍。耐壓殼是控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的本體結(jié)構(gòu)，一旦造成不可逆損壞，處理技術(shù)復(fù)雜，難度極大，將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，故障的處理必須堅(jiān)持保守原則，保護(hù)耐壓殼本體安全，對(duì)相對(duì)容易更換的螺母進(jìn)行處理。

通過(guò)查找設(shè)備圖紙和相關(guān)資料，結(jié)合大修期間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的分析，對(duì)容易誘發(fā)故障的因素進(jìn)行了梳理，得出以下因素：

1.2.1 環(huán)境因素影響：

如表1所示，反應(yīng)堆運(yùn)行期間，主系統(tǒng)壓力為15.2 MPa，冷卻劑出口溫度為315.5℃，耐壓殼部件長(zhǎng)時(shí)間承受高溫高壓的作用，在熱脹冷縮的變形影響下，螺紋產(chǎn)生變形，導(dǎo)致螺母與行程套管螺紋嚙合過(guò)緊，從而產(chǎn)生螺母咬死現(xiàn)象。

振動(dòng)也是導(dǎo)致螺紋變形的關(guān)鍵因素，主要原因是機(jī)組功率運(yùn)行期間驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)作、冷卻劑水流沖擊以及堆頂風(fēng)機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)，導(dǎo)致螺紋的相互擠壓變形。

表1 耐壓殼部件設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)因素

耐壓殼頂部螺紋為M42×1.5的細(xì)牙螺紋，密封性、自鎖性相對(duì)粗牙螺紋要好，主要用于定位、調(diào)整、固定等用途，適合薄壁的筒形零件，如各種光學(xué)儀器中廣泛使用細(xì)牙螺紋。但是，細(xì)牙螺紋不適用于大的受力工作，其耐磨性較差，容易磨損，螺紋容易碰壞，影響安裝和拆卸，稍有尺寸誤差就可能導(dǎo)致安裝時(shí)亂扣使得螺桿與螺母同時(shí)損壞。

耐壓殼頂部用于壓緊棒位線圈的兩個(gè)螺母，由于其防松需要，在安裝時(shí)施加了極大的防松預(yù)緊力，在長(zhǎng)時(shí)間作用下，也容易導(dǎo)致螺紋發(fā)生變形。

1.2.3 材質(zhì)影響

行程套管直段材質(zhì)為321不銹鋼，而圓螺母材質(zhì)為1Cr13。不銹鋼材質(zhì)的強(qiáng)度較差，黏性較強(qiáng)，在長(zhǎng)時(shí)間的影響下，容易導(dǎo)致螺紋變形，并且由于1Cr13的硬度強(qiáng)于321不銹鋼，在相互作用下，行程套管相對(duì)容易發(fā)生損壞，螺紋產(chǎn)生變形，導(dǎo)致螺母咬死。

2 問(wèn)題處理

2.1 處理工藝

2.1.1 局部咬死情況的處理

通過(guò)上述原因分析，局部螺母的咬死情況不可避免，因此，采用適合的工藝來(lái)解決，是問(wèn)題處理的關(guān)鍵。

耐壓殼行程套管直段屬于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的本體部分，是核級(jí)關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)不可逆損傷情況，更換技術(shù)復(fù)雜，難度極大，由此產(chǎn)生的損失不僅是修復(fù)產(chǎn)生的費(fèi)用，更多的將是核電廠大修時(shí)間的延長(zhǎng)、相關(guān)技術(shù)論證、安全評(píng)估等帶來(lái)的巨大代價(jià)。而圓螺母相對(duì)更容易更換，在咬死情況下首先保證耐壓殼的安全和完整性，采用合適的方式將螺母破除，再對(duì)損傷螺紋進(jìn)行修復(fù)處理。

（1）咬死圓螺母的拆除。

上部壓緊螺母厚度為10mm，厚度較大，破切過(guò)程中阻力很大，而行程套管螺紋段為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部是M20螺紋孔，其抗壓和抗變形能力遠(yuǎn)不如實(shí)體螺桿。處理過(guò)程中施加較大作用力，將導(dǎo)致螺桿發(fā)生塑性變形， 產(chǎn)生不可逆破壞。

直接使用螺母破切器去除、切割機(jī)切除等常規(guī)方法，存在著容易導(dǎo)致空心螺桿變形、易傷害耐壓殼本體等問(wèn)題，風(fēng)險(xiǎn)較大，不建議采用。

由于常規(guī)方法在拆除螺母上的不足，研發(fā)專用工具進(jìn)行拆除，以不傷害耐壓殼螺桿為設(shè)計(jì)原則，能有效控制風(fēng)險(xiǎn)，兼顧工作效率，減少人員劑量。

設(shè)計(jì)專用保護(hù)裝置，固定加裝在圓螺母上，帶有導(dǎo)向保護(hù)孔，可實(shí)現(xiàn)切除定位、導(dǎo)向和限制誤操作。利用電動(dòng)鉆快速將螺母壁厚層鉆除，不損傷到螺紋。去除部分壁厚層后，剩余壁厚較薄，容易操作，通過(guò)切割片或螺母破切器從薄壁位置繼續(xù)破開(kāi)，最后用鏟刀將最后的連接部分逐步鏟除，最終成功將咬死螺母拆下?，F(xiàn)場(chǎng)操作未破壞到螺紋，并且去除咬死圓螺母效率較高。

（2）損傷螺紋修復(fù)。

螺紋修復(fù)是問(wèn)題處理的關(guān)鍵點(diǎn)，如圖4所示，損傷螺紋的部分位于三個(gè)螺母與耐壓殼嚙合的位置，如使用常規(guī)的板牙工具進(jìn)行修補(bǔ)，則無(wú)法利用中間完好的螺紋進(jìn)行導(dǎo)向，難以保證螺紋修復(fù)效果。

考慮螺紋的修復(fù)效果，以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間的影響，專用工具的設(shè)計(jì)具備三個(gè)原則：

A.能利用完好螺紋進(jìn)行導(dǎo)向;

B.能在空間局限的情況下進(jìn)行操作;

C.頭部可快速更換。

充分考慮這些因素，設(shè)計(jì)采用分體式結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，將螺紋修補(bǔ)工具頭部設(shè)計(jì)成分體結(jié)構(gòu)，分段拼接，安裝在完好螺紋上，利用夾緊裝置將修復(fù)工具頭部固定住，并利用圓周方向均布的緊固螺栓對(duì)夾緊力進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)使用墊片調(diào)整分段式頭部的間隙，使各分段結(jié)構(gòu)受力均勻，這樣可保證在螺紋修復(fù)時(shí)不亂扣，并能充分利用下部完好螺紋進(jìn)行螺旋線導(dǎo)向，保證螺紋修復(fù)效果。

同時(shí)，考慮頂蓋上方設(shè)備分布較多且相互之間距離較近，專用工具在修復(fù)旋擰操作時(shí)不易操作等問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)可拆裝操作工具，在專用工具手柄不易操作時(shí)加裝，然后利用棘輪扳手進(jìn)行操作。

利用分體式修復(fù)工具進(jìn)行第一遍螺紋修復(fù)后，再利用板牙進(jìn)行精修，保證螺紋修復(fù)的平滑性，表面無(wú)毛刺，達(dá)到修復(fù)目標(biāo)。

2.1.2 整體情況改進(jìn)

經(jīng)過(guò)多次大修，發(fā)現(xiàn)多組CRDM耐壓殼出現(xiàn)過(guò)螺紋卡澀現(xiàn)象，問(wèn)題十分普遍，處理難度大。為減少螺母咬死現(xiàn)象，需采取有效的改進(jìn)措施，降低螺母咬死概率，從而使整體故障情況得到緩解。

考慮耐壓殼結(jié)構(gòu)更換流程復(fù)雜，細(xì)牙螺紋結(jié)構(gòu)以及材質(zhì)的換型難度大，因此主要針對(duì)高溫高壓、振動(dòng)環(huán)境、防松預(yù)緊等對(duì)螺母的影響因素進(jìn)行改進(jìn)。由于下部壓緊螺母與棒位探測(cè)器之間、防松螺母與下部壓緊螺母之間均無(wú)墊片，無(wú)彈性余量，導(dǎo)致螺母與螺桿螺紋熱脹冷縮或振動(dòng)沖擊時(shí)相互螺紋的擠壓力過(guò)大，產(chǎn)生螺牙的變形，最終導(dǎo)致咬死的現(xiàn)象。

改進(jìn)的重點(diǎn)是提供彈性余量，采用增加墊片的方式，但墊片材質(zhì)的選擇是重點(diǎn)考慮的因素。經(jīng)過(guò)多次分析和討論，最終選擇加裝專用石墨墊片的方法。該墊片具有出色的熱穩(wěn)定性，在高溫高壓環(huán)境下不易失效，并且具有良好的抗腐蝕和耐輻照性能，以及良好的壓縮回彈性，可以給螺母提供充足的彈性變形空間，減小螺紋擠壓力，有效減少螺紋變形。

實(shí)踐證明，通過(guò)加裝專用石墨墊片，耐壓殼頂部螺母咬死故障明顯減少，優(yōu)化措施效果明顯。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

2.2.1 風(fēng)險(xiǎn)控制

（1）高輻射風(fēng)險(xiǎn)控制：CRDM位于堆頂，受反應(yīng)堆運(yùn)行周期的長(zhǎng)時(shí)間照射，具有較大的輻射性，且具有表面污染性。作業(yè)時(shí)容易造成人員體表玷污以及高輻射劑量值，對(duì)作業(yè)人員健康造成危害。

（2）異物墜落風(fēng)險(xiǎn)控制：頂蓋上方分布37組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，相互之間間隙較小，外層由圍板包裹，一旦上方作業(yè)時(shí)異物墜落，處理難度大，不僅造成額外的工作量和大修時(shí)間的延誤，也會(huì)導(dǎo)致不必要的人員輻射，危害人員健康。

（3）機(jī)械安全風(fēng)險(xiǎn)：維修作業(yè)涉及鉆孔、切割等機(jī)械操作，需做好安全防范措施。工作平臺(tái)距地面較高，需注意人員高空墜落風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 工作準(zhǔn)備

針對(duì)以上風(fēng)險(xiǎn)分析，做好詳細(xì)的工前準(zhǔn)備，能有效控制并減少安全風(fēng)險(xiǎn)。按照要求在頂蓋上方搭建檢修工作平臺(tái)，鋪設(shè)防異物覆蓋物，防止細(xì)小鐵屑、零件等掉落;在頂蓋四周搭建污染隔離區(qū)，并在隔離區(qū)入口配備輻射防護(hù)用品;準(zhǔn)備作業(yè)所需工器具、耗材、勞保用品等，保證工前準(zhǔn)備細(xì)致到位。

2.2.3 實(shí)際作業(yè)

實(shí)際作業(yè)前，工器具已通過(guò)模擬試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證和改進(jìn)。針對(duì)已完全咬死的部件，首先加裝專用保護(hù)裝置，使用電動(dòng)鉆打孔，鉆除部分螺母壁厚層，使用切割片切除螺母薄壁處，最后使用鏟刀逐步切除連接部位，從而取下咬死螺母。清洗行程套管螺紋表面雜質(zhì)，將專用修復(fù)工具安裝到完好螺紋部位，進(jìn)行第一遍修復(fù)，再利用板牙進(jìn)行第二遍精修，達(dá)到螺紋表面平滑、無(wú)毛刺的合格標(biāo)準(zhǔn)，最終成功地處理了該缺陷問(wèn)題。同時(shí)，逐一檢查每根CRDM的螺紋，利用板牙去除表面毛刺，并在螺母回裝時(shí)加裝石墨墊片，減少螺母的咬死。

3 結(jié)論

經(jīng)反應(yīng)堆長(zhǎng)期的運(yùn)行，耐壓殼頂部螺母以及類似結(jié)構(gòu)的卡澀和咬死情況已十分普遍，處理難度大且具有極大安全風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)故障情況制定處理措施，分別研發(fā)專用工具處理咬死螺母的拆卸和螺紋修復(fù)兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，解決了個(gè)別螺母的咬死，并通過(guò)改進(jìn)措施，有效減少故障現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果良好，不僅安全解決了故障問(wèn)題，確保設(shè)備安全可靠性，也為今后堆頂其他類似問(wèn)題的處理提供了成功的處理借鑒思路和經(jīng)驗(yàn)，值得采用和推廣。

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