分段整體式主螺栓拉伸機(jī)在非能動(dòng)核電項(xiàng)目的應(yīng)用方案探討

陶新磊，劉 超，陳 睿

(中廣核工程有限公司,廣東深圳 518124)

0 引言

反應(yīng)堆壓力容器屏蔽和包容燃料組件，是關(guān)系一回路壓力邊界完整性、密封性的核一級(jí)重要設(shè)備。主螺栓拉伸機(jī)是反應(yīng)堆壓力容器(以下簡(jiǎn)稱壓力容器)密封和解密封的專用工具，是完成反應(yīng)堆換料大修的重要關(guān)鍵設(shè)備。反應(yīng)堆密封和解除密封是反應(yīng)堆換料大修的里程碑節(jié)點(diǎn)，位于換料大修工作的關(guān)鍵路徑，直接決定換料大修的工期[1-2]。主螺栓拉伸操作區(qū)域位于核電站的心臟部位，輻射劑量相對(duì)較高，涉及設(shè)備較為重要。選擇拉伸效果好、操作方便的螺栓拉伸機(jī)對(duì)換料大修工作極為重要。

我國(guó)引進(jìn)的第三代非能動(dòng)先進(jìn)壓水堆核電站，采用結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計(jì)，空間布局較為緊湊，壓力容器頂蓋采用一體化頂蓋設(shè)計(jì)，將控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、冷卻風(fēng)機(jī)、堆頂電纜橋架、壓力容器頂封頭、頂蓋屏敝罩、懸臂吊等部件集成在一起，使一體化頂蓋的上部外徑大于頂蓋外徑，導(dǎo)致一體化頂蓋無法從整體式主螺栓拉伸機(jī)內(nèi)部穿過，整體式主螺栓拉伸機(jī)不能順利落在頂蓋，無法應(yīng)用整體式螺栓拉伸機(jī)[3-4]。目前反應(yīng)堆壓力容器主螺栓拉伸機(jī)采用的是單體式螺栓拉伸機(jī)，其雖然具有造價(jià)低、空間小的優(yōu)點(diǎn)，但是操作較為復(fù)雜，維修人員輻照劑量大，密封可靠性較整體式螺栓拉伸機(jī)低[5]。針對(duì)該問題，已有了采用分段式整體螺栓拉伸機(jī)的設(shè)想[6]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)一般操作經(jīng)驗(yàn)對(duì)采用分段式螺栓拉伸機(jī)進(jìn)行螺栓拉伸方案細(xì)化，并根據(jù)吊裝方案的不同，對(duì)分段式整體螺栓拉伸機(jī)的合理分段提出建議；進(jìn)一步論證分段式螺栓拉伸機(jī)是第三代非能動(dòng)核電項(xiàng)目主螺栓拉伸機(jī)的發(fā)展方向。

1 螺栓拉伸機(jī)拉伸方案操作過程對(duì)比

1.1 單體式主螺栓拉伸機(jī)拉伸方案

目前非能動(dòng)核電項(xiàng)目機(jī)組采用的是單體式主螺栓拉伸機(jī)，如圖1所示。

圖1 單體式螺栓拉伸機(jī)

每臺(tái)機(jī)組4個(gè)，其中3臺(tái)使用，1臺(tái)備用[7]。螺栓安裝完成后，3臺(tái)主螺栓拉伸機(jī)通過對(duì)應(yīng)的3臺(tái)一體化堆頂組件吊具吊裝在壓力容器頂蓋上的一組主螺栓，完成一次拉升后，通過吊具輪換到其他方位螺栓，進(jìn)行下一組螺栓拉伸。由于采用分批拉伸，為保證下一組螺栓拉伸到位，通常每根螺栓需拉伸2～3次。壓力容器共有45顆主螺栓，分成15組，拉伸30～45次[8]。

以完成一次開蓋和扣蓋為例，采用單體式螺栓拉伸機(jī)進(jìn)行開蓋步驟如下:(1)主螺栓拉伸機(jī)吊入換料水池，就位并做好拉伸前準(zhǔn)備(1.1 h)；(2)主螺栓拉伸卸載(執(zhí)行20組拉伸，2 h)；(3)主螺栓拉伸機(jī)與堆頂?shù)蹙呙撻_，并吊出換料水池(0.5 h)；(4)主螺栓植入機(jī)吊入換料水池，并與堆頂?shù)蹙哌B接(0.5 h)；(5)旋出主螺栓(2 h)；(6)吊出主螺栓(2 h)；(7)主螺栓植入機(jī)與堆頂葫蘆脫開，并吊出換料水池(0.5 h)；(8)將主螺栓植入機(jī)吊入換料水池，并與堆頂?shù)蹙哌B接(0.5 h)；(9)吊入主螺栓(2 h)；(10)主螺栓植入機(jī)植入主螺栓(2 h)；(11)主螺栓植入機(jī)與堆頂葫蘆脫開，并吊出換料水池(0.5 h)；(12)主螺栓拉伸機(jī)吊入換料水池，就位并做好拉伸前準(zhǔn)備(1.1 h)；(13)主螺栓拉伸機(jī)拉伸和測(cè)量(共執(zhí)行23組拉伸，2.8 h)；(14)主螺栓拉伸機(jī)與堆頂?shù)蹙呙撻_，并吊出換料水池(0.5 h)。

其中，步驟(1)～(7)為開蓋過程，總計(jì)耗時(shí)約8.6 h；步驟(8)～(14)為扣蓋過程，耗時(shí)約9.4 h。單體拉伸機(jī)開關(guān)蓋一次總共耗時(shí)約18 h。

1.2 分段整體式螺栓拉伸機(jī)應(yīng)用方案

分段式整體螺栓拉伸機(jī)是將整體螺栓拉伸機(jī)設(shè)計(jì)成可組裝的數(shù)段(見圖2)，在儲(chǔ)存和吊裝運(yùn)輸時(shí)可以進(jìn)行分解，在機(jī)組大修時(shí)利用環(huán)吊運(yùn)輸?shù)椒磻?yīng)堆堆坑，組裝成整體螺栓拉伸機(jī)。組裝完成后，對(duì)45顆主螺栓同時(shí)拉伸，將主螺栓拉伸到規(guī)定長(zhǎng)度后，檢測(cè)伸長(zhǎng)量，對(duì)剩余伸長(zhǎng)量過大或不足的螺栓進(jìn)行調(diào)整。分段整體式主螺栓拉伸機(jī)在20世紀(jì)80年代國(guó)外沸水堆核電站有過應(yīng)用案例。

分段式螺栓拉伸機(jī)的分段數(shù)對(duì)吊裝和拆卸過程有較大影響。螺栓拉伸機(jī)總重約25 t，分5段(每段9根)，每段重量5 t左右[6],由3臺(tái)懸臂吊分兩批吊入，螺栓隨頂蓋一起吊裝。開蓋過程與單體式螺栓拉伸機(jī)相比，分段吊裝增加耗時(shí)1 h，組裝耗時(shí)0.8 h，整體拉伸降低耗時(shí)1.5 h，螺栓隨頂蓋一起吊裝降低耗時(shí)2 h，共耗時(shí)約6.9 h；扣蓋過程相比單體式主螺栓拉伸機(jī)，分段吊裝增加耗時(shí)1 h，組裝增加耗時(shí)0.8 h，整體拉伸降低耗時(shí)1.8 h，螺栓隨頂蓋一起吊裝降低耗時(shí)2 h，共耗時(shí)約7.4 h。開蓋和扣蓋過程共耗時(shí)約14.3 h。

圖2 分段式整體螺栓拉伸機(jī)

2 吊裝方案分析

單個(gè)壓力容器頂蓋吊具的設(shè)計(jì)載荷為3 000 kg，而整體式螺栓拉伸機(jī)分段(5段)設(shè)計(jì)時(shí)每部分的重量5 t左右，單臺(tái)懸臂吊無法吊裝一段螺栓拉伸機(jī)，若要實(shí)現(xiàn)吊裝，則需要提升懸臂吊載荷，并分兩批吊裝，首批吊入3段，再吊入2段。投資和耗時(shí)均需要增加。

文獻(xiàn)[6]提出采用同時(shí)操作2臺(tái)壓力容器頂蓋吊具來實(shí)現(xiàn)吊裝作業(yè)的方案。

吊裝載荷校核：

Qj=k1k2Q

式中Qj——計(jì)算載荷，t；

k1——?jiǎng)虞d荷系數(shù)，k1=1.1；

k2——不均衡載荷系數(shù)，k2=1.1～1.25；

Q——吊裝物質(zhì)量,t。

故Qj=1.1×1.2×5=6.6 t，大于2臺(tái)一體化頂蓋吊具額定載荷3×2=6 t，采用2臺(tái)壓力容器頂蓋吊具實(shí)現(xiàn)分段整體式螺栓拉伸機(jī)吊裝作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大，只能利用全部3臺(tái)懸臂吊具合力逐一調(diào)入，分5批吊入，總共耗時(shí)約14.3 h。

若考慮將分段式主螺栓拉伸機(jī)設(shè)計(jì)為9段，則每段約為2.6 t。

計(jì)算載荷為：2.6×1.1=2.86 t，小于一體化頂蓋吊具額定載荷3 t，每臺(tái)懸臂吊可以獨(dú)立吊裝一段。9段需要分3批吊入,總共耗時(shí)約16.3 h。

若考慮提升壓力容器頂蓋吊具載荷，可將段數(shù)分為3段，每段重約8 t，實(shí)現(xiàn)一次吊入，但較單體式螺栓拉伸機(jī)方案不增加額外吊裝耗時(shí)，耗時(shí)約12.3 h。采用此種方案需要重新設(shè)計(jì)壓力容器頂蓋懸臂吊，并對(duì)吊車環(huán)形軌道強(qiáng)度進(jìn)行提升[9]。

3 效果綜合分析

不同螺栓拉伸機(jī)方案不僅影響操作流程時(shí)間，對(duì)配備的人員定額也有影響。操作一臺(tái)單體式螺栓至少需要3人及1個(gè)主控操作人員，如額外配備專職的1名監(jiān)護(hù)人員和1名測(cè)量計(jì)算人員，整個(gè)操作過程需要12人。分段式整體螺栓拉伸機(jī)只需配備3人就可完成操作。輻照劑量按200 μSv/h估計(jì)。

使用單體螺栓拉伸機(jī)時(shí)，由于分組擰緊，前后兩組螺栓受力不同，尤其最后幾步螺栓受力較大，影響螺栓的使用壽命和密封效果。使用分段整體式螺栓拉伸機(jī)時(shí)，由于同步拉伸，拉伸較均勻，密封效果更好，螺栓拉伸時(shí)的最大受力低，提高了螺栓、頂蓋、主密封部件的使用壽命[10-13]。不同方案綜合效果對(duì)比見表1。

表1 采用不同螺栓拉伸機(jī)綜合效果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)比單體式主螺栓拉伸機(jī)與分段整體式螺栓拉伸機(jī)進(jìn)行開蓋、扣蓋過程可以看出，在第三代非能動(dòng)核電項(xiàng)目應(yīng)用分段式整體螺栓拉伸機(jī)，在縮短大修工期、減少輻照劑量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。在現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)核電站都在積極優(yōu)化大修關(guān)鍵路徑，縮短大修絕對(duì)工期的情況下，采用分段式整體主螺栓拉伸機(jī)是第三代非能動(dòng)核電項(xiàng)目的必然選擇。

尚在建造中的核電機(jī)組可以采用提升壓力容器頂蓋吊具載荷，采用3段(每段15根)的方案，開關(guān)蓋耗時(shí)最少。已經(jīng)運(yùn)行的部分核電站可以通過對(duì)配套吊裝系統(tǒng)進(jìn)行改造后，應(yīng)用分段整體式螺栓拉伸機(jī)；也可以采用更小的分段數(shù)(9段)，利用現(xiàn)有設(shè)備完成吊裝。