核電廠整體螺栓拉伸機(jī)機(jī)械手旋螺栓對中方案分析與試驗

王 進(jìn) 林寶明 劉元慶

（陽江核電有限公司，廣東 陽江529941）

1 背景

反應(yīng)堆壓力容器由58 顆主螺栓緊固頂蓋和頂蓋法蘭。在開關(guān)反應(yīng)堆壓力容器頂蓋過程中使用整體螺栓拉伸機(jī)（以下簡稱“MSTM”）旋入旋出主螺栓，并對主螺栓進(jìn)行拉伸。機(jī)械手的對中機(jī)構(gòu)在主螺栓旋入旋出主螺孔過程中保證機(jī)械手與主螺栓及主螺孔的對中，防止主螺栓旋擰過程中出現(xiàn)卡澀情況。當(dāng)前國內(nèi)主流的整體螺栓拉伸機(jī)分為SKF MSTM以及STS MSTM。兩者在機(jī)械手對中設(shè)計中的最大差異為對中方式差異。SKF MSTM采用的是主動對中方式（如圖1），機(jī)械手依靠位置傳感器反饋的對中數(shù)據(jù)主動調(diào)整上X-Y 板電機(jī)，從而實現(xiàn)機(jī)械手跟隨螺栓位置的目的。STS MSTM采用的是從動對中方案，該方案無需下X-Y 板與主動對中電機(jī)，機(jī)械手位置通過滑軌被動跟隨螺栓的位置移動。

圖1 SKF MSTM 機(jī)械手主動對中結(jié)構(gòu)

對國內(nèi)5 個核電基地自2018 年6 月后的大修反應(yīng)堆開關(guān)蓋螺栓旋擰異常情況進(jìn)行分析，在操作工藝、機(jī)組結(jié)構(gòu)相同的情況下，使用主動對中方案的SKF MSTM相較于使用從動對中方案的STS MSTM，螺栓擰出過程異常的數(shù)量明顯偏多，且集中在開蓋階段，數(shù)據(jù)見表1。（注：異常定義：150Nm 持續(xù)不動/150Nm～200Nm 旋轉(zhuǎn)（調(diào)上限后）/200Nm 無法擰出，手動擰出。）

表1 SKF MSTM 與STS MSTM 執(zhí)行旋螺栓過程中的異常數(shù)量統(tǒng)計表

統(tǒng)計上述輪次大修螺紋損傷的位置，其中齒根、齒頂缺陷約占總?cè)毕莸?6%，且缺陷主要類型為毛刺與劃傷。根據(jù)螺栓與螺孔的共性缺陷對機(jī)械手旋螺栓過程螺栓與螺孔配合的模型進(jìn)行反向分析，由于缺陷集中在齒頂齒根且缺陷主要類型為毛刺、劃/磨傷，因此判斷螺紋旋入過程中主要螺紋主要嚙合受力部位為齒根齒頂，如圖2 所示?？梢耘袛啻藭r螺栓軸線與螺孔軸線不共線。造成兩根軸線不共線的主要原因為機(jī)械手旋轉(zhuǎn)電機(jī)與螺栓及螺孔的對中存在偏差。因此懷疑SKF MSTM當(dāng)前的主動對中方案存在設(shè)計缺陷。

圖2 螺栓螺孔配合示意圖

2 機(jī)械手對中設(shè)計分析

分析采用主動對中的SKF MSTM的對中設(shè)計方案，機(jī)械手是由上下兩部分組成，中間由萬向節(jié)連接，位置傳感器會實時監(jiān)測機(jī)械手下部X-Y 板位置，通過反饋信號自動調(diào)整上部X-Y 板位置與下部X-Y 板位置一致，實現(xiàn)螺栓與螺孔的精確對中。當(dāng)開蓋時螺栓位置較低，機(jī)械手需要從拉伸機(jī)的頂部下降至螺栓的頭部進(jìn)行操作，此時機(jī)械手上X-Y 板高度降低，機(jī)械手下部X-Y 板高度不變，因此上部X-Y 板和下部X-Y 板的距離較近，在上下X-Y 板系統(tǒng)上記錄的偏差值一致的情況下（以上、下X-Y 板偏差值為0.3mm 為例），實際上機(jī)械手和螺栓的對中偏差有明顯差異，導(dǎo)致該差異的原因是設(shè)計問題。如圖3。

圖3 機(jī)械手上部X-Y 板跟隨下部X-Y 板測量系統(tǒng)偏差示意圖

為驗證采用主動對中的SKF MSTM 方案實際上會導(dǎo)致機(jī)械手與螺孔的最大偏差，需執(zhí)行如下三個性能試驗。

2.1 上、下X-Y 板傳感器零點標(biāo)定

上部、下部X-Y 板對中驗證，是將機(jī)械手的萬向節(jié)及以下部分拆除，在萬向節(jié)安裝部位裝上定心工裝，定心工裝為錐形圓柱，定心裝置下降插入下部X-Y 板時可使上部、下部X-Y 板的中心線重合。

圖4 X-Y 板對中驗證工裝

2.2 上、下X-Y 板距離傳感器精度

通過移動機(jī)械手，讀取X-Y 板兩個方向位置傳感器的數(shù)值，與設(shè)定值進(jìn)行比對，驗證上部、下部X-Y 板位置測量傳感器數(shù)值偏差，結(jié)果如表2。X 方向最大偏差值0.61mm，Y 方向最大偏差值為0.68mm。

表2 上、下X-Y 板距離傳感器精度驗證結(jié)果

2.3 上部X-Y 板跟隨動作的閾值驗證

做一組SKF MSTM機(jī)械手主動對中旋螺栓試驗，選取X 方向與Y 方向的上、下部X-Y 板同一方向的位置測量值數(shù)據(jù)做比較，驗證上部X-Y 板的主動對中電機(jī)介入的上、下板偏差閾值。根據(jù)試驗過程數(shù)據(jù)，見圖5，當(dāng)前機(jī)械手主動對中旋螺栓的方案下，主動電機(jī)介入的上、下板偏差閾值為0.3mm。

圖5 主動對中方案下上、下部X-Y 板跟隨情況

總結(jié)：上部、下部X-Y 板位置測量傳感器驗證結(jié)果為X 方向傳感器最大偏差為0.61mm，Y 方向傳感器最大偏差為0.68mm?？紤]到上部X-Y 板主動調(diào)整電機(jī)跟隨動作的閾值為0.3mm，結(jié)合圖3 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸，那么主螺栓與旋擰電機(jī)實際可能最大對中偏差為X 方向8.008mm，Y 方向為8.624mm。這種情況下系統(tǒng)記錄的主螺栓位置偏差為0.3mm，上部X-Y 板主動調(diào)整電機(jī)無動作。因此當(dāng)前主動對中方案中在主動電機(jī)動作的閾值內(nèi)X-Y 板最大的對中偏差將達(dá)到。

3 機(jī)械手主動對中與從動對中試驗對比

為驗證主動對中方案是否會導(dǎo)致主螺栓旋入力矩增大，特設(shè)計主動與從動對中旋螺栓對比試驗進(jìn)行驗證。

機(jī)械手從動旋螺栓的實現(xiàn)方式如圖6 所示，是將機(jī)械手的萬向節(jié)拆除后替換成直桿工裝，使機(jī)械手上部和下部X-Y 板之間的結(jié)構(gòu)成為一根直桿。同時拆掉上部X-Y 板的調(diào)節(jié)電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)，使機(jī)械手上部X-Y 板可跟隨主螺栓自由移動（下部X-Y 板原設(shè)計可自由移動，試驗過程不做改動）。

圖6 機(jī)械手從動旋螺栓

兩個對比試驗最終測試模式分為：①正常良好工況下10r/min、15 r/min、25 r/min 的速度主動、從動對中旋螺栓試驗；②模擬螺孔偏移對中點12mm（相對于正常工況良好）時10r/min、15 r/min、25 r/min 的速度主動、從動對中旋螺栓試驗；③力矩在60-100N*M范圍時10r/min、15 r/min、25 r/min 的主動、從動對中旋螺栓試驗。

試驗結(jié)果如下：

①模擬螺孔與螺栓配合正常良好工況：機(jī)械手主動對中旋入螺栓和從動對中旋入螺栓的力矩值差距不大，均可正常旋入旋出螺栓。典型力矩對比圖如圖7 所示。

圖7

②模擬螺孔中心偏移對中點12mm 工況：旋入螺栓時，機(jī)械手從動對中旋螺栓效果比主動對中略好，但差別不大。而在旋出螺栓過程中，機(jī)械手從動對中旋出螺栓的效果明顯優(yōu)于主動對中，力矩值減小，力矩值波動范圍也小。典型力矩對比圖如圖8 所示。

圖8

③力矩在60-100N*M范圍：此范圍內(nèi)模擬螺孔的偏移位置較大（大于12mm），旋入螺栓時，主動對中與從動對中力矩偏差不大。旋出螺栓時，從動對中的旋出螺栓效果好于主動對中的效果。典型力矩對比圖如圖9 所示。

圖9

綜合以上結(jié)論得出下表：

表3 SKF MSTM 機(jī)械手主動對中與從動對中旋螺栓力矩測試結(jié)果對比表

備注：從力矩大小和波動情況進(jìn)行比較，效果相似記為平。效果明顯好的記為優(yōu)。

4 結(jié)論

通過理論分析主動對中方案認(rèn)為當(dāng)前SKF MSTM使用的主動對中方案在開蓋過程中可能存在較大的對中偏差問題。從主、從動對中試驗對比可以看出，在同樣試驗條件下，螺栓旋入過程中（對應(yīng)開蓋模式），主動對中與從動對中對螺栓旋入力矩的影響差異不大，從實際數(shù)據(jù)對比來看從動對中效果略優(yōu)。在螺栓旋出過程中（對應(yīng)開蓋模式），對中良好工況或小力矩工況下，機(jī)械手主動對中與從動對中旋擰螺栓過程的力矩相差不大，從動對中略優(yōu)于主動對中。在對中偏差較大或者大力矩工況下，旋出螺栓，機(jī)械手從動對中的力矩效果明顯好于主動對中?？傮w來看，從對對中方案對于螺栓旋入力矩的控制要優(yōu)于主動對中方案。