反應(yīng)堆壓力容器主螺栓卡澀因素分析及預(yù)防措施

季彥衛(wèi)

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430223）

0 引言

反應(yīng)堆壓力容器是核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的重要壓力邊界，是核電站的核心設(shè)備[1]。主螺栓是連接壓力容器及其頂蓋的重要部件，為避免放射性物質(zhì)外泄，保障一回路壓力邊界完整性有著重要作用，所以正確安裝主螺栓對(duì)核電站的正常運(yùn)行有著重大影響。

某壓水堆核電廠壓力容器主螺栓為核安全級(jí)部件，按照相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本體為雙頭螺柱結(jié)構(gòu)，下端螺紋旋入主螺栓孔內(nèi)，上部螺紋通過主螺母與壓力容器筒體結(jié)合，且加工制造精度要求較高。正常情況下主螺栓與螺栓孔有一定的配合間隙，螺紋表面粗糙度（Ra1.6），主螺栓拉伸過程中主螺栓與螺母之間不承受剪切力，有效避免了主螺栓與螺母卡澀的情況。由于在主螺栓裝配過程中會(huì)受到螺紋磨損和缺陷、潤滑和防咬及裝配工藝控制等因素影響，仍會(huì)出現(xiàn)卡澀情況。

1 導(dǎo)致主螺栓卡澀的主要因素

壓力容器主螺栓卡澀主要發(fā)生在主螺栓與螺栓孔配合的螺紋段，結(jié)合現(xiàn)場檢修經(jīng)驗(yàn)及國內(nèi)外相關(guān)案例經(jīng)驗(yàn)反饋分析，導(dǎo)致主螺栓卡澀的因素主要有螺紋磨損和缺陷、潤滑和防咬、主螺栓拆裝工藝等。

1.1 螺紋磨損和缺陷

主螺栓、螺母和螺孔的螺紋表面在制造加工過程中存在局部的微小缺陷，當(dāng)主螺栓經(jīng)過多次拆裝操作后，螺紋會(huì)發(fā)生磨損，造成螺紋副配合精度出現(xiàn)偏差，表面缺陷也逐漸惡化。螺紋表面缺陷未及時(shí)修復(fù)，且主螺栓旋入工藝控制不當(dāng)，可能使螺紋表面凹坑或毛刺等劃傷正常螺紋并產(chǎn)生鐵屑，引起主螺栓卡澀。

1.2 潤滑和防咬

目前運(yùn)行核電廠在主螺栓裝配前一般會(huì)在主螺栓、螺母和螺孔的螺紋處涂抹N5000防咬劑。在經(jīng)過一次運(yùn)行周期后，防咬劑在高溫條件下會(huì)固化和老化，涂抹不合適或過量的防咬劑也有可能會(huì)導(dǎo)致主螺栓拆卸困難、影響其順利拆卸。因此，對(duì)主螺栓、螺母和螺孔的螺紋部分涂抹均勻、適當(dāng)?shù)姆酪O為重要。

1.3 主螺栓拆裝工藝

主螺栓在裝配過程中有著具體的要求，比如螺紋表面清潔、平衡力、主螺栓對(duì)中、旋擰力矩和速度、螺紋起始扣嚙合等，這些因素控制不當(dāng)將直接降低裝配質(zhì)量，引起主螺栓卡澀[2]。

螺紋上的防咬劑經(jīng)過一次運(yùn)行周期后固化粘連在螺紋表面，若防咬劑清洗不徹底將變成異物，增大螺紋副之間的摩擦因數(shù)，易使主螺栓發(fā)生卡澀。在主螺栓與螺孔起始扣嚙合過程中因?yàn)橹髀菟ㄎ赐耆珜?duì)中或發(fā)生碰撞，都容易損傷螺紋。主螺栓拆裝過程中若力矩使用不當(dāng)、平衡力設(shè)定不足、轉(zhuǎn)速設(shè)置過快，均會(huì)增加螺紋副的摩擦力，進(jìn)而造成卡澀。

2 主螺栓卡澀預(yù)防措施

鑒于以上影響因素，實(shí)際工作中每次裝配前對(duì)螺紋清洗、檢查、潤滑、旋入、拉伸加載等一系列完整操作，確保每個(gè)裝配環(huán)節(jié)安全可靠。同時(shí)，對(duì)主螺栓旋入和旋出均制定了嚴(yán)格的操作程序，對(duì)螺紋進(jìn)行清洗和防咬處理、螺紋首扣嚙合速度控制、螺栓平衡力設(shè)定、旋擰力矩限制等要點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格把控，任何一個(gè)因素控制不當(dāng)將直接降低裝配質(zhì)量，增加發(fā)生主螺栓卡澀的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 螺紋清洗和防咬處理

主螺栓裝配前需對(duì)主螺栓、主螺母和螺栓孔螺紋表面進(jìn)行徹底清洗，主要去除螺紋表面固化的防咬劑和其他雜質(zhì)，螺紋清洗采取機(jī)洗為主、手洗補(bǔ)充的方式：機(jī)洗去除螺紋表面固化的防咬劑和其他雜質(zhì)，手洗采用尼龍刷或者鋼絲刷去除螺紋表面和牙底頑固雜質(zhì)。清洗劑選用綠色標(biāo)簽的環(huán)保型機(jī)械設(shè)備清洗劑，禁止使用酸性溶劑以免破壞螺栓磷化膜。

2.2 螺紋首扣嚙合控制

主螺栓與螺栓孔首扣螺紋嚙合是主螺栓拆裝工藝的關(guān)鍵步驟，操作不當(dāng)極易引起螺栓旋入時(shí)發(fā)生螺栓卡澀或者螺紋損傷。操作人員通過控制堆頂葫蘆下降主螺栓，首扣嚙合過程中螺栓平衡力設(shè)定應(yīng)小于螺栓螺母總重，以免引起螺栓在首扣嚙合時(shí)發(fā)生上下攛動(dòng)，采取點(diǎn)動(dòng)下降葫蘆吊鉤方式下降主螺栓，主螺栓旋入工具設(shè)置慢速旋入。

為使主螺栓在首扣嚙合過程中保持豎直，采取嚴(yán)格的檢查和預(yù)防措施，保證螺栓豎直對(duì)中。檢查彈簧平衡器重心是否偏離，如果發(fā)生偏離第一時(shí)間更換彈簧平衡器。觀察彈簧平衡器讀數(shù)，逆時(shí)針慢速旋轉(zhuǎn)主螺栓，聽到螺栓與螺栓孔配合的聲音后順時(shí)針旋入主螺栓。

2.3 主螺栓拆裝力矩設(shè)置

主螺栓旋擰過程中，除了控制平衡力，還要嚴(yán)格監(jiān)視旋擰扭矩的變化，當(dāng)扭矩變化超過一定值時(shí)要立即停止旋擰，分析原因，及時(shí)采取措施，避免主螺栓發(fā)生卡澀。對(duì)于主螺栓旋入過程中的力矩限值，國內(nèi)外核電廠和反應(yīng)堆壓力容器制造廠只有經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，而沒有理論計(jì)算的準(zhǔn)確參數(shù)。

主螺栓旋入螺栓孔時(shí)，可將主螺栓視作滑塊，作用于主螺栓各圈上的分布力簡化為作用于滑塊上的集中力Q。旋入主螺栓時(shí)，相當(dāng)于滑塊在水平驅(qū)動(dòng)力F推動(dòng)下沿螺紋表面勻速向下移動(dòng)。將螺栓孔螺紋沿中徑展開，則相當(dāng)于滑塊沿著斜面勻速向下移動(dòng)。此時(shí)，滑塊受到的摩擦力FN沿斜面向上，法向反作用力為N，將N與FN合成為R，則R稱為斜面對(duì)滑塊的總反力，N與R之間的夾角ρ為摩擦角（圖1）。

圖1 主螺栓旋入時(shí)螺紋副受力分析

主螺栓和螺栓孔的螺紋規(guī)格分別為7.000″-4UN-2A和7.000″-4UN-2B，主螺栓螺紋中徑d2=173.416 mm，螺距升角ψ=arctan=，主螺栓連同螺母和墊圈自重的1/2，即=340÷2×9.8=1666 N；摩擦因數(shù)f=0.15；摩擦角ρ=arctan f=artan0.15=8.53°。

由于滑塊勻速運(yùn)動(dòng)，所以作用于滑塊上的Q、R及F三力處于平衡狀態(tài)，組成封閉的力多邊形，R與Q的夾角為ρ-ψ，故F=Q tan（ρ-ψ）。

則勻速向下旋轉(zhuǎn)主螺栓所需的力矩T1為：

同理，當(dāng)主螺栓旋出螺栓孔時(shí)，采用如上計(jì)算方法相當(dāng)于滑塊在水平驅(qū)動(dòng)力F推動(dòng)下沿螺紋表面勻速向上移動(dòng)（圖2）。作用于滑塊上的Q、R及F三種力處于平衡狀態(tài)，組成封閉的力多邊形，R與Q的夾角為ρ+ψ，故F=Q tan（ρ+ψ），則勻速向上旋轉(zhuǎn)主螺栓所需的力矩T2為：

圖2 主螺栓旋出時(shí)螺紋副受力分析

由于實(shí)際工作過程中堆頂葫蘆的控制可能不到位，導(dǎo)致主螺栓和螺母全部重量坐落在螺栓孔上，按以上計(jì)算公式，旋入力矩T3=T1×2=40.0 N·m，旋出力矩T4=T2×2=46.6 N·m。取2倍的正常旋擰力矩作為旋擰力矩限值，則旋入力矩限制T旋入限制=T3×2=80.0 N·m、旋出力矩限制T旋出限制=T4×2=93.2 N·m。

通過理論分析，將主螺栓在平衡力設(shè)定為螺栓和螺母自重1/2的情況下，正常旋入力矩應(yīng)為19.9 N·m，最大旋入力矩不超過80 N·m；正常旋出力矩應(yīng)為23.3 N·m，最大旋出力矩不超過93.2 N·m。螺栓旋擰過程若出現(xiàn)力矩超過最大限值，應(yīng)立即停止操作，分析導(dǎo)致螺栓旋擰力矩增大的原因，采取相應(yīng)措施。

2.4 平衡力設(shè)定

主螺栓旋入和旋出過程中，都會(huì)用載荷平衡裝置，平衡掉主螺栓一部分重量，降低旋擰力矩。目前國內(nèi)外核電廠對(duì)于平衡力設(shè)定值都沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)某核電廠的平衡力為整個(gè)主螺栓、螺母和墊圈重量。另有部分核電廠只提到讓平衡力帶載，沒明確具體的平衡力數(shù)值。國外某核電廠將平衡力設(shè)定為主螺栓重量的1/2。

根據(jù)上述力矩計(jì)算公式，平衡力越大，則主螺栓旋擰力矩越小。若平衡力為主螺栓、螺母與墊圈重量的一半，則主螺栓正常旋入力矩為19.9 N·m，正常旋出力矩為23.4 N·m。理論上平衡力越接近主螺栓、螺母與墊圈重量，則旋擰力矩越小。

（1）如果平衡力設(shè)定為主螺栓、螺母與墊圈總重量1/2，螺紋副接觸面為內(nèi)螺紋螺牙上側(cè)面與外螺紋螺牙下側(cè)面，螺紋副之間作用力當(dāng)螺紋表面有凹坑、毛刺、凸起等缺陷時(shí)，螺紋副之間作用力增大，隨著主螺栓微量向上竄動(dòng)，平衡力降低、旋入力矩增大，容易出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象。

（2）如果平衡力設(shè)定為略小于主螺栓、螺母與墊圈總重量，螺紋副接觸面為內(nèi)螺紋螺牙上側(cè)面與外螺紋螺牙下側(cè)面。隨著主螺栓的旋入，彈簧平衡器被拉長，如果不及時(shí)下降平衡器高度則平衡力將超過主螺栓、螺母與墊圈的總重量，此時(shí)螺紋副接觸面為內(nèi)螺紋螺牙下側(cè)面與外螺紋螺牙上側(cè)面。堆頂葫蘆不能完全同步跟隨主螺栓的下降，螺紋副接觸面時(shí)刻處于上下竄動(dòng)中，增加螺紋之間的撞擊，容易損壞螺紋。

（3）如果平衡力設(shè)定為略大于主螺栓、螺母與墊圈總重量，螺紋副接觸面為內(nèi)螺紋螺牙下側(cè)面與外螺紋螺牙上側(cè)面。隨著主螺栓的旋入，平衡器被拉長，即使沒有及時(shí)調(diào)整堆頂葫蘆，平衡器載荷始終大于主螺栓、螺母與墊圈總重量，螺紋副接觸面不會(huì)上下變化，螺紋旋入過程穩(wěn)定。

根據(jù)上述情況下主螺栓旋入過程的分析，平衡力略大于主螺栓、螺母與墊圈總重量時(shí)旋入過程更加平穩(wěn)可靠。

3 總結(jié)

主螺栓裝配過程的任意一個(gè)環(huán)節(jié)都可能引起卡澀事件發(fā)生。其中，螺紋缺陷、螺紋清潔度及螺栓拆裝工藝是影響反應(yīng)堆主螺栓卡澀的主要因素，通過理論計(jì)算和分析得出針對(duì)某核電廠主螺栓的正常旋擰力矩、傾斜角對(duì)螺紋間隙的影響、平衡力設(shè)定值、初始扣嚙合控制，在裝配前進(jìn)行恰當(dāng)?shù)那逑?、檢查和潤滑，指導(dǎo)主螺栓裝配操作，才能有效避免主螺栓卡澀事件的發(fā)生。