反應(yīng)堆壓力容器回火焊道再制螺紋的強(qiáng)度校核和試驗(yàn)驗(yàn)證

胡大芬 金亮 陳振偉 楊景超 許洪朋

摘要：以某堆型反應(yīng)堆壓力容器主螺孔（M155×4）為研究對(duì)象，對(duì)反應(yīng)堆壓力容器主螺孔螺紋回火焊道焊接修復(fù)工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)述。對(duì)采用回火焊道焊接技術(shù)修復(fù)后的主螺孔再制螺紋強(qiáng)度進(jìn)行了校核，并對(duì)主螺孔回火焊道再制螺紋進(jìn)行了旋擰試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證。計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果表明：反應(yīng)堆壓力容器主螺孔回火焊道再制螺紋的抗剪切強(qiáng)度、抗擠壓強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，主螺孔回火焊道再制螺紋的強(qiáng)度也滿足其旋擰性能和拉伸性能要求。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆壓力容器;回火焊道焊接;主螺孔再制螺紋;強(qiáng)度校核;試驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類(lèi)號(hào)：TG457.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）11-0099-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.18

0? ? 前言

反應(yīng)堆壓力容器（RPV）是反應(yīng)堆一回路冷卻劑系統(tǒng)的重要承壓邊界，是整個(gè)核電站的“ 心臟 ”，而螺紋緊固組件是保證RPV密封性能的重要部件，其使用性能直接影響到RPV的密封性能，以避免冷卻劑和放射性物質(zhì)的泄露和外逸[1]。但在RPV主螺栓安裝時(shí)，可能會(huì)因螺紋表面缺陷等原因發(fā)生主螺栓卡澀、咬死的現(xiàn)象，造成RPV主螺孔螺紋損傷，進(jìn)而影響到核電站的運(yùn)行安全[2-5]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)核電站的修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于RPV主螺孔螺紋表面的簡(jiǎn)單缺陷，一般采取打磨或梳刀梳理進(jìn)行處理，而對(duì)于影響主螺孔螺紋強(qiáng)度的嚴(yán)重缺陷，一般對(duì)受損主螺孔進(jìn)行螺紋擴(kuò)孔修復(fù)[2，6]，但因這種技術(shù)是在原螺紋上進(jìn)行擴(kuò)孔修復(fù)，存在由于螺紋擴(kuò)孔裝置對(duì)中精度等原因造成修復(fù)困難或修復(fù)失敗的問(wèn)題。另外，如果采用傳統(tǒng)的焊接修復(fù)工藝修復(fù)大面積損傷螺紋，在焊接修復(fù)完成后需要對(duì)修復(fù)區(qū)域進(jìn)行焊后熱處理，而焊后熱處理在設(shè)備安裝階段已不具備實(shí)施條件。

回火焊道焊接技術(shù)是一種通過(guò)控制焊接熱循環(huán)、焊道幾何尺寸及焊道搭接量等關(guān)鍵因素，使得后續(xù)焊道的熱循環(huán)對(duì)前焊道形成的熱影響區(qū)或焊縫金屬進(jìn)行回火來(lái)改善熱影響區(qū)或焊縫組織，進(jìn)而改善其性能的焊接修復(fù)技術(shù)[7]。由于其可以免去焊后熱處理的特點(diǎn)，回火焊道焊接技術(shù)在國(guó)外有較多應(yīng)用[8-12]，國(guó)內(nèi)也越來(lái)越關(guān)注，如對(duì)反應(yīng)堆壓力容器低合金鋼材料進(jìn)行了回火焊道工藝試驗(yàn)研究[13]，并獲得了良好的試驗(yàn)效果。

文中以某堆型反應(yīng)堆壓力容器主螺孔（M155×4）為研究對(duì)象，對(duì)反應(yīng)堆壓力容器主螺孔螺紋的回火焊道焊接修復(fù)工藝進(jìn)行了研究。同時(shí)對(duì)采用回火焊道焊接技術(shù)修復(fù)后的主螺孔再制螺紋強(qiáng)度進(jìn)行了校核，并對(duì)主螺孔回火焊道再制螺紋進(jìn)行了旋擰試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證，以確保修復(fù)后的主螺孔再制螺紋強(qiáng)度滿足使用要求。

1 反應(yīng)堆壓力容器主螺孔螺紋回火焊道焊接修復(fù)工藝

對(duì)于受損嚴(yán)重的RPV主螺孔螺紋，回火焊道焊接修復(fù)工藝過(guò)程如下：

（1）機(jī)加工去除原主螺孔螺紋。

采用機(jī)加工方式對(duì)主螺孔進(jìn)行光孔處理，去除原主螺孔所有螺紋，并將主螺孔內(nèi)徑擴(kuò)孔至滿足回火焊道焊接修復(fù)所需的適合尺寸。

（2）回火焊道焊接修復(fù)主螺孔。

在焊接修復(fù)前，先對(duì)主螺孔進(jìn)行目視檢查、尺寸檢查和液體滲透檢查，合格后對(duì)待焊修復(fù)區(qū)進(jìn)行清潔，然后采用機(jī)械脈沖鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊和低合金鋼焊絲在RPV主螺孔底部沿內(nèi)壁自下而上實(shí)施橫焊位焊接，焊接參數(shù)為：頻率1.67 Hz，焊接電流Ipeak=180 A，Ibase=150 A，占空比50%，焊接電壓11 V，焊接速度100 mm/min，送絲速度1 180 mm/min，道間溫度≤180 ℃。焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制道間溫度和焊道搭接量，每層焊道完成后進(jìn)行適當(dāng)修磨并進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)。

（3）重新機(jī)加工制備新螺紋。

根據(jù)RPV主螺孔設(shè)計(jì)圖紙要求，對(duì)主螺孔內(nèi)壁堆焊金屬進(jìn)行機(jī)械加工，重新制備主螺孔新螺紋，新螺紋的結(jié)構(gòu)尺寸需滿足設(shè)計(jì)圖紙要求，并且對(duì)新螺紋進(jìn)行通止規(guī)檢查和螺紋中徑測(cè)量，確保各項(xiàng)尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求。

2 主螺孔回火焊道再制螺紋的強(qiáng)度校核

為得到RPV主螺孔回火焊道堆焊金屬的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，進(jìn)行了低合金鋼回火焊道焊接修復(fù)工藝試驗(yàn)，并針對(duì)回火焊道堆焊金屬進(jìn)行常規(guī)性能試驗(yàn)和疲勞性能試驗(yàn)。根據(jù)RPV主螺孔回火焊道堆焊金屬在23 ℃、150 ℃、250 ℃和350 ℃的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，采用線性插值法計(jì)算得到RPV主螺孔回火焊道再制螺紋在水壓試驗(yàn)溫度60 ℃和設(shè)計(jì)溫度343 ℃下的屈服強(qiáng)度平均值，如表1所示。

由于主螺孔回火焊道堆焊金屬為塑性材料，對(duì)于螺紋連接件，其許用應(yīng)力強(qiáng)度為屈服強(qiáng)度/安全系數(shù)，安全系數(shù)為1.2～1.5[14]，出于保守考慮，文中安全系數(shù)取1.5。則主螺孔回火焊道堆焊金屬的許用應(yīng)力強(qiáng)度如表1所示。

2.1 修復(fù)后的主螺孔螺紋抗剪切強(qiáng)度校核

根據(jù)RCC-M B3238.2[15]，在運(yùn)行和試驗(yàn)工況（除事故工況外），螺紋的平均一次剪切應(yīng)力不大于0.6Sm（Sm為材料的許用應(yīng)力強(qiáng)度），剪切應(yīng)力按下述公式進(jìn)行計(jì)算：

式中 Smax為單根主螺栓的最大預(yù)緊力（單位：N）; A為螺紋剪切面積（單位：mm2），使用下式計(jì)算[16]

式中 Aint ernal為主螺孔內(nèi)螺紋剪切面積（單位：mm2）;N為每毫米的螺紋數(shù)，取值0.25;Le主螺栓與主螺孔螺紋配合長(zhǎng)度，為205 mm;Ds min主螺栓螺紋大徑的最小值，為154.456 mm;En max主螺孔內(nèi)螺紋中徑的最大值，為152.667 mm。

在水壓試驗(yàn)工況時(shí)單根主螺栓最大預(yù)緊力Smax為6.2×106 N，正常運(yùn)行工況時(shí)Smax為5.35×106 N， 則主螺孔回火焊道螺紋在上述工況下的抗剪切強(qiáng)度如表2所示。

由表2可知，采用回火焊道焊接技術(shù)修復(fù)的主螺孔再制螺紋抗剪切強(qiáng)度滿足RCC-M規(guī)范要求。

2.2 修復(fù)后的主螺孔螺紋抗擠壓強(qiáng)度校核

假設(shè)軸向力為F（在此取單根主螺栓最大預(yù)緊力），螺紋接觸寬度的平均直徑為D2，螺紋嚙合扣數(shù)為z，相配合螺紋的接觸寬度為l0，α為普通螺紋牙型角，取60°，n為安全系數(shù)，取1.2～1.5[14]，材料的屈服強(qiáng)度為Sy，則螺紋抗擠壓強(qiáng)度σ為[14]：

根據(jù)修復(fù)后的M155×4主螺孔螺紋和對(duì)應(yīng)主螺栓螺紋尺寸作圖可得，其螺紋接觸寬度的平均直徑D2為152.75 mm，相配合螺紋的接觸寬度l0為1.51 mm，n取1.5，則修復(fù)后的主螺孔回火焊道再制螺紋的抗擠壓強(qiáng)度如表3所示。

由表3可知，采用回火焊道焊接技術(shù)修復(fù)的主螺孔再制螺紋抗擠壓強(qiáng)度校核滿足要求。

2.3 修復(fù)后的主螺孔螺紋抗彎曲強(qiáng)度校核

主螺孔螺紋的抗彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式為[14]

式中 D為主螺孔螺紋大徑（單位：mm）;D2為主螺孔螺紋中徑（單位：mm）;F為軸向作用力（在此取主螺栓最大預(yù)緊力，單位：N）;z為嚙合螺紋扣數(shù);b為主螺孔螺紋牙根部的厚度（單位：mm）;σb為彎曲應(yīng)力（單位：MPa）;[σb]為螺紋牙的許用彎曲應(yīng)力，對(duì)鋼材，[σb]= （1～1.2）[σ]。

取[σb]=[σ]=Sm，根據(jù)修復(fù)后的M155×4主螺孔螺紋尺寸作圖可得主螺孔螺紋牙根部的厚度b為3.54 mm，則修復(fù)后的主螺孔回火焊道再制螺紋的抗彎曲強(qiáng)度如表4所示。

由表4可知，采用回火焊道焊接技術(shù)修復(fù)的主螺孔再制螺紋抗彎曲強(qiáng)度校核滿足要求。

3 主螺孔回火焊道再制螺紋的性能試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證RPV主螺孔采用回火焊道焊接技術(shù)修復(fù)后，其再制螺紋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)備使用要求，采用1：1模擬件對(duì)主螺孔回火焊道再制螺紋進(jìn)行了旋擰模擬試驗(yàn)和拉伸模擬試驗(yàn)。

3.1 主螺孔回火焊道再制螺紋的旋擰模擬試驗(yàn)

為驗(yàn)證主螺孔回火焊道再制螺紋的旋擰性能和耐磨性能，采用1：1主螺栓模擬件和主螺孔回火焊道再制螺紋模擬件進(jìn)行了旋擰模擬試驗(yàn)，模擬試驗(yàn)裝置如圖1所示，且主螺孔回火焊道再制螺紋模擬件的螺紋中徑初始實(shí)測(cè)值為φ152.60～152.62 mm。

考慮某堆型RPV的設(shè)計(jì)壽命以及換料周期，主螺孔回火焊道再制螺紋旋擰模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)次數(shù)確定為40次。經(jīng)過(guò)40次旋擰試驗(yàn)之后，主螺孔回火焊道再制螺紋中徑實(shí)測(cè)值如表5所示，且試驗(yàn)后的主螺孔回火焊道再制螺紋通止規(guī)檢查合格。

由表5可知，經(jīng)40次旋擰試驗(yàn)后的主螺孔回火焊道再制螺紋中徑實(shí)測(cè)值為φ152.60～152.72 mm，相比主螺孔回火焊道再制螺紋初始中徑值有微量的增加，說(shuō)明多次旋擰試驗(yàn)會(huì)使得主螺孔回火焊道再制螺紋產(chǎn)生極少量的磨損，但考慮到磨損量很小，且試驗(yàn)后的主螺孔回火焊道再制螺紋通止規(guī)檢查合格，因此，主螺孔回火焊道再制螺紋的旋擰性能和耐磨性能滿足使用要求。

3.2 主螺孔回火焊道再制螺紋的拉伸模擬試驗(yàn)

為了驗(yàn)證主螺孔回火焊道再制螺紋在各工況下的拉伸性能，采用1∶1拉伸模擬試驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖2）進(jìn)行了各工況下的主螺孔回火焊道再制螺紋拉伸模擬試驗(yàn)。

3.2.1 主螺栓拉伸標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證

分別采用修復(fù)前的主螺孔原始螺紋和修復(fù)后的主螺孔回火焊道再制螺紋進(jìn)行主螺栓拉伸標(biāo)定試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)為5次，主螺孔采用回火焊道焊接技術(shù)修復(fù)前后的主螺栓拉伸標(biāo)定曲線的對(duì)比情況如圖3所示。

由圖3可知，RPV主螺孔螺紋在采用回火焊道焊接技術(shù)修復(fù)后，主螺栓拉伸標(biāo)定曲線變化非常小，且主螺栓拉伸標(biāo)定試驗(yàn)完成并在主螺栓旋出后，主螺孔回火焊道再制螺紋通止規(guī)檢查合格，這說(shuō)明RPV主螺孔螺紋修復(fù)后并未影響主螺栓和主螺孔螺紋配合的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，從而證明了主螺孔螺紋修復(fù)后的力學(xué)性能滿足其拉伸性能要求。

3.2.2 各工況下的主螺孔回火焊道再制螺紋拉伸模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）出廠水壓試驗(yàn)工況。

按該堆型RPV出廠水壓試驗(yàn)工況下的主螺栓剩余拉伸量要求，對(duì)修復(fù)后的主螺孔回火焊道再制螺紋進(jìn)行拉伸驗(yàn)證試驗(yàn)，并保持主螺栓預(yù)緊狀態(tài)至少為24 h，然后卸載并拆卸主螺栓，觀察主螺栓旋出過(guò)程中的實(shí)際情況，并對(duì)拉伸后的主螺孔回火焊道再制螺紋進(jìn)行目視檢查、螺紋通止規(guī)檢查和螺紋中徑測(cè)量。

主螺孔回火焊道再制螺紋在經(jīng)歷出廠水壓試驗(yàn)工況拉伸模擬試驗(yàn)后，其螺紋實(shí)測(cè)值如表6所示。根據(jù)表6，主螺孔回火焊道再制螺紋在經(jīng)歷出廠水壓試驗(yàn)工況拉伸模擬試驗(yàn)后，其螺紋中徑實(shí)測(cè)值為φ152.61～152.72 mm，考慮到螺紋中徑測(cè)量誤差，該值與經(jīng)過(guò)旋擰試驗(yàn)后的主螺孔回火焊道螺紋中徑實(shí)測(cè)值（φ152.60～152.72 mm）幾乎一致，且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在結(jié)束出廠水壓試驗(yàn)工況拉伸模擬試驗(yàn)拆卸主螺栓的過(guò)程中，主螺栓旋出過(guò)程順暢無(wú)障礙，且主螺孔回火焊道再制螺紋通止規(guī)檢查合格，因此，主螺孔回火焊道再制螺紋強(qiáng)度滿足出廠水壓試驗(yàn)工況下的拉伸要求。

（2）在役水壓試驗(yàn)工況。

按該堆型RPV在役水壓試驗(yàn)工況下的主螺栓剩余拉伸量要求，對(duì)修復(fù)后的主螺孔回火焊道再制螺紋進(jìn)行拉伸驗(yàn)證試驗(yàn)，并保持主螺栓預(yù)緊狀態(tài)至少為24 h，然后卸載并拆卸主螺栓，觀察主螺栓旋出過(guò)程中的實(shí)際情況，并對(duì)拉伸后的主螺孔回火焊道再制螺紋進(jìn)行目視檢查、螺紋通止規(guī)檢查和螺紋中徑測(cè)量。

主螺孔回火焊道再制螺紋經(jīng)歷在役水壓試驗(yàn)工況拉伸模擬試驗(yàn)后的螺紋實(shí)測(cè)值如表7所示?？梢钥闯?，主螺孔回火焊道再制螺紋在經(jīng)歷在役水壓試驗(yàn)工況拉伸模擬試驗(yàn)后，其螺紋中徑實(shí)測(cè)值為φ152.61～152.71 mm，考慮到螺紋中徑測(cè)量誤差，該值與出廠水壓試驗(yàn)工況拉伸模擬試驗(yàn)后的主螺孔回火焊道再制螺紋中徑實(shí)測(cè)值（φ152.61～152.72 mm）幾乎一致，且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在結(jié)束在役水壓試驗(yàn)工況拉伸模擬試驗(yàn)拆卸主螺栓的過(guò)程中，主螺栓旋出過(guò)程順暢無(wú)障礙，且主螺孔回火焊道再制螺紋通止規(guī)檢查合格，因此，主螺孔回火焊道再制螺紋強(qiáng)度滿足在役水壓試驗(yàn)工況下的拉伸要求。

（3）正常運(yùn)行工況。

按該堆型RPV正常運(yùn)行工況下的主螺栓剩余拉伸量要求，對(duì)修復(fù)后的主螺孔回火焊道再制螺紋進(jìn)行拉伸驗(yàn)證試驗(yàn)，并保持主螺栓預(yù)緊狀態(tài)至少為24 h，然后卸載并拆卸主螺栓，觀察主螺栓旋出過(guò)程中的實(shí)際情況，并對(duì)拉伸后的主螺孔回火焊道再制螺紋進(jìn)行目視檢查、螺紋通止規(guī)檢查和螺紋中徑測(cè)量。

主螺孔回火焊道再制螺紋在經(jīng)歷正常運(yùn)行工況拉伸模擬試驗(yàn)后，其螺紋實(shí)測(cè)值如表8所示。

根據(jù)表8，主螺孔回火焊道再制螺紋在經(jīng)歷正常運(yùn)行工況拉伸模擬試驗(yàn)后，其螺紋中徑實(shí)測(cè)值為φ152.62～φ152.73mm，考慮到螺紋中徑測(cè)量誤差，該值與在役水壓試驗(yàn)工況拉伸模擬試驗(yàn)后的主螺孔回火焊道再制螺紋中徑實(shí)測(cè)值（φ152.61～φ152.71mm）幾乎一致，且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在結(jié)束正常運(yùn)行工況拉伸模擬試驗(yàn)拆卸主螺栓的過(guò)程中，主螺栓旋出過(guò)程順暢無(wú)障礙，且主螺孔回火焊道再制螺紋通止規(guī)檢查合格，因此，主螺孔回火焊道再制螺紋強(qiáng)度滿足正常運(yùn)行工況下的拉伸要求。

3.2.3 最大拉伸力模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

該堆型RPV在進(jìn)行關(guān)蓋主螺栓預(yù)緊操作時(shí)曾出現(xiàn)過(guò)主螺栓絕對(duì)拉伸量超過(guò)設(shè)計(jì)要求最大值的現(xiàn)象，因此，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，按照主螺栓絕對(duì)拉伸量4.06 mm的要求，對(duì)修復(fù)后的主螺孔回火焊道再制螺紋進(jìn)行最大拉伸力驗(yàn)證試驗(yàn)，即將主螺栓旋入到主螺孔后拉伸主螺栓至其絕對(duì)拉伸量為4.06 mm，然后卸載并拆卸主螺栓，觀察主螺栓旋出過(guò)程中的實(shí)際情況，并對(duì)拉伸后的主螺孔回火焊道再制螺紋進(jìn)行目視檢查、螺紋通止規(guī)檢查和螺紋中徑測(cè)量。

主螺孔回火焊道再制螺紋在經(jīng)歷最大拉伸力拉伸模擬試驗(yàn)后，其螺紋實(shí)測(cè)值如表9所示。

根據(jù)表9可知，主螺孔回火焊道再制螺紋在經(jīng)歷最大拉伸力模擬試驗(yàn)后，其螺紋中徑實(shí)測(cè)值為φ152.64～152.76 mm，考慮到螺紋中徑測(cè)量誤差，該值與正常運(yùn)行工況拉伸模擬試驗(yàn)后的主螺孔回火焊道再制螺紋中徑實(shí)測(cè)值（φ152.62～152.73 mm）幾乎一致，且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在結(jié)束最大拉伸力模擬試驗(yàn)拆卸主螺栓的過(guò)程中，主螺栓旋出過(guò)程順暢無(wú)障礙，且主螺孔回火焊道再制螺紋通止規(guī)檢查合格，這說(shuō)明主螺孔回火焊道再制螺紋在經(jīng)歷最大拉伸力模擬試驗(yàn)后并未發(fā)生整體塑性變形，因此，主螺孔回火焊道再制螺紋強(qiáng)度滿足最大拉伸力工況下的拉伸要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某堆型RPV主螺孔回火焊道再制螺紋的強(qiáng)度校核、旋擰試驗(yàn)和各工況下拉伸模擬試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）主螺孔回火焊道再制螺紋的抗剪切強(qiáng)度、抗擠壓強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)度在水壓試驗(yàn)工況和正常運(yùn)行工況下的校核計(jì)算結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）主螺孔回火焊道再制螺紋在經(jīng)歷40次旋擰試驗(yàn)后，其螺紋中徑值變化量非常小且螺紋通止規(guī)檢查合格， 表明主螺孔回火焊道螺紋的旋擰性能和耐磨性能滿足使用要求。

（3）相比修復(fù)前，主螺孔回火焊道再制螺紋的主螺栓拉伸標(biāo)定曲線變化非常小且螺紋通止規(guī)檢查合格，表明主螺栓與主螺孔螺紋配合的變形協(xié)調(diào)關(guān)系未受影響，也證明了主螺孔回火焊道再制螺紋的力學(xué)性能滿足其拉伸性能要求。

（4）主螺孔回火焊道再制螺紋分別在出廠水壓試驗(yàn)、在役水壓試驗(yàn)、正常運(yùn)行工況和最大拉伸力工況下的螺紋中徑值變化量非常小，且螺紋通止規(guī)檢查合格。表明主螺孔回火焊道再制螺紋未發(fā)生整體塑性變形，主螺孔回火焊道再制螺紋的強(qiáng)度滿足各工況使用要求。

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