VVER反應(yīng)堆壓力容器主螺栓卡澀問題分析與處理

雷世和

（江蘇核電有限公司，連云港 222000）

關(guān)鍵字：壓力容器；主螺栓；主螺栓孔；卡澀；強(qiáng)度計(jì)算；預(yù)防措施

VVER-1000 型反應(yīng)堆壓力容器是核電站反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的重要壓力邊界，是核電站的核心設(shè)備。主螺栓與主螺孔相連接，將壓力容器與頂蓋緊固，起到密封作用。壓力容器主螺栓與主螺孔的卡澀問題在設(shè)備制造、設(shè)備安裝調(diào)試、生產(chǎn)運(yùn)行中時(shí)有發(fā)生。

本文通過對(duì)某核電站4 號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆壓力容器的51 號(hào)主螺孔卡澀問題進(jìn)行分析，得出了在螺紋損壞不大時(shí)可以使用原樣接收的方式處理不符合項(xiàng)的結(jié)論，分析結(jié)果在該核電站壓力容器上得到了運(yùn)用。本文為后續(xù)同類型核電壓力容器主螺栓卡澀問題提供了理論參考及實(shí)踐指導(dǎo)，并給出了設(shè)備監(jiān)造期間如何預(yù)防螺栓卡澀問題的實(shí)操性建議。

1 VVER-1000 型反應(yīng)堆壓力容器主螺栓介紹

VVER-1000 型壓水堆機(jī)組，堆型為V-428，共計(jì)54 組螺栓穿過頂蓋和壓力容器內(nèi)螺栓孔，將頂蓋與壓力容器相連接，起到密封作用。可通過螺栓拉伸機(jī)將主螺栓預(yù)緊在主結(jié)合面上，主螺栓由主螺栓本體、兩段絲堵、套筒、墊片、中心測(cè)量桿組成，螺紋直徑M170×6 mm，全長(zhǎng)1950 mm。

利用54/8000-DR100-ST 型螺栓拉伸機(jī)，以中心對(duì)稱式依次對(duì)54 根主螺栓進(jìn)行整體拉伸，同步緊固主螺母，經(jīng)過多輪的拉伸后，通過中心測(cè)量桿測(cè)量拉伸量，當(dāng)拉伸量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求值后，卸載主螺栓拉伸機(jī)，主螺栓拉伸示意圖見圖1。拉伸的螺栓的彈性形變提供了預(yù)緊力作用在壓力容器的螺栓孔與頂蓋上的螺母，螺母壓在頂蓋上法蘭處，配合鎳墊圈使反應(yīng)堆壓力容器主密封面得到密封。

圖1 VVER-1000 堆型RPV 主螺栓拉伸示意圖Fig.1 VVER-1000 type RPV main bolt tension photo

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，導(dǎo)致主螺栓卡澀的因素主要有螺栓及螺栓孔機(jī)加工、螺紋磨損和缺陷、異物或積屑瘤、拆裝操作或保養(yǎng)不當(dāng)?shù)龋?］。

2 常見螺栓卡澀問題處理方式

2.1 打磨后原樣接收

考慮螺孔中螺紋損壞不嚴(yán)重，通過計(jì)算螺孔中螺紋實(shí)際尺寸與極限尺寸的主螺栓配合后的強(qiáng)度，判斷是否仍然滿足設(shè)計(jì)要求。

優(yōu)點(diǎn)：不用改動(dòng)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單打磨處理毛刺，處理簡(jiǎn)單，耗時(shí)短。

缺點(diǎn)：只能針對(duì)螺孔損壞不嚴(yán)重的情況，具體范圍根據(jù)實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算。

2.2 沿原螺旋線擴(kuò)孔方案

當(dāng)螺栓孔螺紋損傷主要表現(xiàn)為表面損傷，且經(jīng)過沿原螺旋線擴(kuò)孔可完全去除缺陷且形成完整螺牙時(shí)，可優(yōu)先選擇沿原螺旋線修復(fù)的方案；沿原螺旋線的擴(kuò)孔修復(fù)方案是利用成形刀具在原有的螺紋基礎(chǔ)上，沿原螺旋線直接切削螺紋齒面和齒頂達(dá)到重塑螺紋的技術(shù)。［2］

優(yōu)點(diǎn)：該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是螺孔母材去除量極少，對(duì)主螺栓孔結(jié)構(gòu)影響較小。

缺點(diǎn)：對(duì)機(jī)加工設(shè)備要求高、對(duì)刀找正難。［3］

2.3 重新加工新螺紋的擴(kuò)孔修復(fù)方案

去除原螺紋重新加工螺紋的擴(kuò)孔方案一般是用于沿原螺旋線擴(kuò)孔方案失敗后的備選方案［4］?；蛘呗菁y損傷已經(jīng)超過了近表面，此時(shí)需要根據(jù)實(shí)際損傷后的螺孔情況考慮擴(kuò)孔的大小，以盡可能小的方式選擇擴(kuò)孔尺寸［5］。

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于一般不同程度的螺孔損傷均通用。

缺點(diǎn)：對(duì)已經(jīng)安裝在核電現(xiàn)場(chǎng)的反應(yīng)堆壓力容器的現(xiàn)場(chǎng)施工要求較高，受可用修復(fù)專用設(shè)備的限制，處理周期長(zhǎng)。

2.4 螺紋襯套方案

螺紋襯套分為鋼絲螺紋襯套和薄壁結(jié)構(gòu)襯套兩種。鋼絲螺紋襯套是由高精度菱形截面的不銹鋼絲精確加工而成的一種彈簧狀內(nèi)外螺紋同心體。

優(yōu)點(diǎn)：具有連續(xù)強(qiáng)度高、抗震、抗沖擊和耐磨損的功能，并能分散應(yīng)力，保護(hù)基體螺紋，延長(zhǎng)基體的使用壽命。

缺點(diǎn)：對(duì)于核電廠反應(yīng)堆壓力容器的大尺寸螺紋結(jié)構(gòu)加工難度大，無(wú)法保證所需尺寸。

3 螺栓孔損傷情況介紹

某核電站4 號(hào)機(jī)組壓力容器在設(shè)備制造廠制造過程中，第51 號(hào)主螺栓孔前5 圈止規(guī)通過。壓力容器主密封面螺紋孔根據(jù)設(shè)計(jì)要求為M170×6-6G，按ΓOCT 24705-2004 和ΓOCT 16093-2004 標(biāo)準(zhǔn)，螺牙中徑為166.183～166.583 mm，內(nèi)徑為163.585～164.385 mm。

主螺孔螺紋尺寸不滿足設(shè)計(jì)要求，損壞的螺紋見圖2。

圖2 壓力容器主螺栓孔損傷照片F(xiàn)ig.2 Picture of damaged main bolt hole of RPV

對(duì)損壞的螺紋孔進(jìn)行尺寸測(cè)量，結(jié)果見表1。

表1 51 號(hào)M170×6-6G 螺栓孔直徑測(cè)量值Table 1 Measurements results of diameters of thread M170×6-6G in hole No.51

4 強(qiáng)度分析

鑒于螺栓孔損壞的情況不算嚴(yán)重，準(zhǔn)備對(duì)損傷的螺紋孔進(jìn)行打磨處理，清除掉毛刺、積屑瘤等。并對(duì)剩余的螺紋情況進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，分析強(qiáng)度能否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.1 初始尺寸輸入

螺紋的中經(jīng)和內(nèi)徑尺寸與對(duì)應(yīng)的螺紋匝數(shù)位置示意圖如圖3 所示。

圖3 整個(gè)螺紋孔長(zhǎng)度范圍內(nèi)內(nèi)徑尺寸D1 和中徑尺寸D2 及內(nèi)徑最小最大尺寸［D1min］，［D1max］，中徑最小最大尺寸［D2min］，［D2max］Fig.3 Diagram of values of inner D1 and angle D2 diameters of thread of seat，tolerance ranges for inner ［D1min］，［D1max］ and angle ［D2min］，［D2max］ diameters of thread

根據(jù)表1，可以計(jì)算出螺紋的平均值（見表2）。

表2 內(nèi)徑平均值 和中徑平均值 Table 2 Average values of inner and angle diameters of thread

表2 內(nèi)徑平均值 和中徑平均值 Table 2 Average values of inner and angle diameters of thread

內(nèi)徑D1沒有超標(biāo)尺寸，符合圖紙及標(biāo)準(zhǔn)要求。中徑D2存在超標(biāo)尺寸，超標(biāo)尺寸在前5 匝。

4.2 螺紋承載可靠性分析

通過以上信息分析螺紋孔尺寸偏差對(duì)M170×6-6G/6e 螺栓接頭強(qiáng)度的影響。螺紋尺寸的靜態(tài)強(qiáng)度主要是由螺紋接頭的重疊載荷匝數(shù)決定［6］，重疊載荷面積主要由螺栓的最小可能外徑與螺紋孔最大可能內(nèi)徑的關(guān)系決定［7］。帶螺紋與螺栓M170×6-6G/6e 示意圖如圖4所示。

圖4 M170×6 螺栓接頭尺寸示意圖Fig.4 Profile of threaded joint M170×6

d=170 mm；D1=163505 mm；d2=166103 mm；H=5196 mm；h=32475 mm；D1max=164385 mm。

螺紋M170×6-6G/6e 在公差下的最小可能重疊長(zhǎng)度如下：

式中：dmin=d-δd=170-0.718=169.282 mm -螺栓M170×6-6e 螺紋的最小外徑；

d=170 mm -螺栓螺紋的公稱外徑；

δd=0.718 mm -螺栓M170×6-6e 螺紋外徑最大偏移量；

D1=163.505 mm；

螺紋的理論高度（標(biāo)準(zhǔn)螺距S=6 mm），根據(jù)圖4 幾何尺寸計(jì)算出：

在螺紋內(nèi)徑平均值下的值為：

上述計(jì)算表明，使用極限尺寸的主螺栓與51 號(hào)螺孔配合，載荷能力仍然能得到保證。與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的螺紋相比，可靠關(guān)系值沒有變小，因此確保了接頭的載荷能力。

4.3 各工況下應(yīng)力分析

下面分別校核螺栓擰緊、工作壓力、水壓試驗(yàn)壓力等工況下螺孔中的應(yīng)力［8］。在極限值和標(biāo)準(zhǔn)尺寸兩種情況下，螺栓M170×6 尺寸計(jì)算取值及公式如下。

Rmδ=834 MPa-螺栓材料（鋼38XH3MΦA(chǔ)）在設(shè)計(jì)溫度T=350℃下的最小極限強(qiáng)度；

RmΓ=539 MPa-法蘭材料（鋼15X2HMΦA(chǔ)）在設(shè)計(jì)溫度T=350℃下的最小極限強(qiáng)度；

z=54 -螺栓數(shù)量；

Fw-設(shè)計(jì)工況下螺栓上的應(yīng)力（預(yù)緊和強(qiáng)度水壓試驗(yàn)）；

Fw=345.1·106H -螺栓擰緊時(shí)；

Fw=377.8·106H -設(shè)計(jì)壓力下；

Fw=390.5·106H -強(qiáng)度水壓試驗(yàn)下。

法蘭材料鋼 15X2HMΦA(chǔ) 允許的剪應(yīng)力：

主螺栓材料鋼38XH3MΦA(chǔ)КП 880 允許的剪應(yīng)力：

通過以上計(jì)算，在尺寸極值的條件下，計(jì)算結(jié)果見表3、表4，螺紋接頭的剪切應(yīng)力滿足俄羅斯ПHAЭГ-7-002-86（核動(dòng)力裝置設(shè)備和管道強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范）標(biāo)準(zhǔn)要求［9］。

表3 M170×6-6G 螺孔強(qiáng)度評(píng)定Table 3 Strength assessment of thread of seat M170×6-6G

表4 螺栓M170×6-6e 螺紋強(qiáng)度評(píng)估Table 4 Strength assessment of thread of studs M170×6-6e

5 監(jiān)造期間預(yù)防措施

經(jīng)過以上計(jì)算，51 號(hào)螺孔可以經(jīng)過簡(jiǎn)單地打磨去除表面毛刺、積屑瘤，通過原樣接收的方式處理該不符合項(xiàng)。

為了避免后續(xù)制造過程中主螺栓卡澀問題，筆者對(duì)主螺栓安裝工序進(jìn)行了梳理，并進(jìn)一步防范了主螺栓卡澀問題。制造廠及監(jiān)造人員應(yīng)采取的預(yù)防措施如下：（1）對(duì)螺栓孔以及主螺栓的機(jī)加工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督控制，尺寸驗(yàn)收階段應(yīng)使用通規(guī)、止規(guī)進(jìn)行檢查，同時(shí)注意表面的清潔度、平整度，螺牙是否存在毛刺、積屑瘤等異物［10］；（2）細(xì)化操作規(guī)程，補(bǔ)充主螺栓擰入、擰出的要求；（3）對(duì)主螺栓擰入、擰出的工段人員進(jìn)行補(bǔ)充工藝培訓(xùn)和指導(dǎo)；（4）對(duì)后續(xù)螺栓擰入、擰出螺栓孔過程中增加工長(zhǎng)和質(zhì)量監(jiān)督員的全程監(jiān)督；（5）對(duì)打磨操作工進(jìn)行培訓(xùn)，并進(jìn)行全程監(jiān)督；（6）對(duì)壓力容器主螺栓孔進(jìn)行修磨后，對(duì)所有螺栓孔和主螺栓進(jìn)行再次檢查；（7）安裝主螺栓前檢查主螺栓孔的清潔度、主螺栓孔和主螺栓螺牙是否存在毛刺、二硫化鉬潤(rùn)滑脂質(zhì)量及潤(rùn)滑狀況。［11］

6 結(jié)語(yǔ)

螺栓孔卡澀問題可以通過4 種方式進(jìn)行處理：打磨后原樣接收、沿原螺旋線擴(kuò)孔、重新加工新螺紋的擴(kuò)孔修復(fù)、螺紋襯套，根據(jù)螺栓孔損傷程度的不同進(jìn)而選擇合適的處理措施。其中最簡(jiǎn)明有效的方式為對(duì)原損傷的螺紋孔進(jìn)行打磨，去除表面毛刺、積屑瘤［12］。

本文通過對(duì)某核電站4 號(hào)壓力容器51 號(hào)螺栓孔問題進(jìn)行分析和處理，對(duì)螺紋孔內(nèi)徑、中徑等實(shí)際尺寸進(jìn)行建模分析，通過計(jì)算損壞的螺紋在極限尺寸的螺栓配合下仍然能夠滿足螺紋載荷能力，以及俄標(biāo)ПHAЭГ-7-002-86 中規(guī)定的剪應(yīng)力強(qiáng)度要求，選擇對(duì)原損傷螺孔進(jìn)行打磨后原樣接收的處理方式。

文中案例為后續(xù)監(jiān)造以及生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過程中預(yù)防和處理壓力容器螺栓卡澀問題提供了理論支撐及實(shí)踐指導(dǎo)。