某核电厂反应堆压力容器法兰螺栓咬死问题处理研究

施英杰

（中广核核电运营有限公司，广东 深圳 518124）

1 引言

反应堆压力容器为核电站反应堆冷却剂系统的主设备之一，固定和包容堆芯及堆内构件，使核燃料的裂变反应限制在一个密封的空间内进行。它和一回路管道共同组成高压冷却剂的压力边界，是防止放射性物质外逸的第二道屏障之一。在筒体法兰上钻有58个螺孔，用以安装螺栓与顶盖密封，螺栓拧入过程中如果发生螺栓咬死的情况，处理起来比较困难，且影响较大。

2 反应堆压力容器顶盖螺栓咬死案例分析

某核电站在调试期间关闭反应堆压力容器顶盖，出现了3颗法兰螺栓咬死，编号分别为19、33、55号。螺栓咬死后，采用松动剂浸泡，铜棒敲击、加大反转力矩拧出几圈后彻底不能转动。

反应堆压力容器法兰螺栓一共有58颗，螺栓规格为M155×4，螺栓材质为40NCDV7.03，重量约为 270kg，压力容器材质为锰镍钼低合金钢（16MND5），螺栓由整体螺栓拉伸机自动拧入。在螺栓出现咬死后，由于螺栓尺寸较大，现场加工了工装首先对缺陷螺栓进行了切断，然后对断掉的螺栓从中心进行扩孔，最后扩孔至（149.60～149.80）mm，使得螺栓只留有约1mm的薄片后把残余的部分取出。取出后对螺孔螺纹检查，19号和33号螺孔螺纹损伤较轻，经过常规的修复后满足使用条件。

对29号螺孔螺纹使用梳刀、铣刀、打磨、抛光等工具对损伤螺纹进行了铣削去除和抛光打磨，初步修复后检查发现较多螺纹扣出现损伤，29号螺孔总体情况如下：①第2-20扣螺纹，中径实测值超出设计最大值152.667mm，其中8-18扣螺纹中径值达到或超过M156螺孔中径值范围；②第21-55扣螺纹尺寸符合设计要求；

使用螺孔视频检查工具间接目视，螺纹损伤情况严重。

3 原因分析

螺栓在拧入螺孔的过程中，出现咬死、损伤螺纹是工程机械常见的问题。螺栓在旋入过程中，螺纹之间产生摩擦和切削，因此产生一些细小的碎屑，这些碎屑随着螺栓的旋转跟随移动，并且不断积累，随着碎屑的积累变大，对螺纹表面的切削也逐渐增加，当碎屑累积到一定大小后，形成积屑瘤，并在摩擦产生的热量的作用下，钎焊在螺栓的螺纹表面，最终使得螺栓咬死。

针对前述问题，为了查找螺栓咬死的根本原因，对螺栓及螺孔材质及硬度，螺栓拧入的过程，最后，结合咬死的理论与现场螺纹损伤的具体情况，综合分析得出本次螺栓咬死的根本原因。

3.1 材质分析

反应堆压力容器本体螺孔材质为16MND5，主要用于制作核电工程中蒸发器、稳压器、压力容器及封头、支撑部件。螺孔材质 16MnD5力学性能：HB=200，Rm=550-670Mpa，Rp0.2≥400Mpa；螺栓材料为 40NCDV7-0.3力学性能：Rp0.2≥900Mpa,Rm=1000-1170Mpa，HB=302-375。从力学性能来看，螺栓材质的硬度比法兰螺纹的硬度（相差约100HB），螺栓在下旋过程中形成积屑瘤产生高温并在螺纹之间产生塑性变形，使其硬度高于法兰螺孔材质的硬度，积屑瘤在螺栓与螺孔螺纹之间，随着螺栓的旋入在法兰螺纹螺牙上留下了沟痕，造成了螺纹损伤。

3.2 螺栓拧入过程分析

反应堆压力容器螺栓拧入由整体螺栓拉伸机进行，由机器的机械手抓取螺栓后自动拧入，由于螺栓自重有270kg，螺栓缓慢下降到螺孔的第一扣螺纹，然后自动旋入，刚开始是慢速，在拧入几扣后速度开始上升，同时机械手上有重力补偿，防止螺栓螺纹与螺孔螺纹摩擦，在拧入的过程中有力矩进行控制，超过150N.m后会有报警，同时机械手停止动作，需要人工进行干预，查找原因。最大的力矩值不能超过200N.m。力矩出现报警的情况，主要有以下几个方面：

①螺孔螺栓接触部位存在异物，在结合处形成卡涩。本次在螺栓拧入前对螺栓及螺孔螺纹进行了仔细检查，记录显示此情况的可能性较小。

②螺栓在下降的过程中，首扣出现了磕碰，造成了螺纹凸出螺纹表面，在旋入的过程中不断把螺牙上的材料带下来最终超过拧入的力矩保护值。咬死螺栓拆除后发现首扣螺纹有变形。

从以上几个方面分析可以看出，反应堆压力容器螺孔及螺栓材质满足相关技术要求及规范，螺栓在拧入过程中，整体螺栓拉伸机出现了报警并及时停了下来。结合现场反馈信息，原因分析如下：①在此次事件前，反应堆压力容器开关顶盖在在役机组执行了多次，未出现螺栓咬死的反馈，判断出现此问题为个别问题。②由于有整体螺栓拉伸机的力矩保护，在该力矩下不足以造成螺孔材料出现较大的屈服。从螺孔螺纹的损伤情况看，在出现卡涩后处理时使用较大的力矩进行了反复操作导致，造成了螺纹力矩出现过载。

综上所述，本次螺栓咬死的可能原因是拉伸机在拧入螺栓过程中首扣出现了磕碰，由于有力矩保护，螺栓卡涩在某一个地方，但是由于在后面处理卡涩的过程中使用了较大的力矩，导致螺栓孔螺纹出现了大面积的损伤。

4 处理方案

内螺纹缺陷处理常见的方法有：用丝锥修复，对螺纹孔扩孔并安装螺纹丝套、对螺纹孔扩孔更换更大尺寸的螺栓。

由于螺纹损伤较大，且第2到20扣中径值已经超出设计标准，无法满足要求，故此种方案排除。

安装螺套需要对螺孔进行扩孔，由于螺孔旁边有反应堆压力容器的堆焊层，距离较近，如果采用安装螺套的方案，会对堆焊层有影响，故采用直接扩孔的方案。

5 修复方案实施

在确定实施方案后，对螺孔进行了清洁，在现场实施前，采用模拟件进行了反复模拟的操作，优化了机床定位找中方法，也验证了方案的可行性。

从出现咬死后，现场具体实施情况如下：

5.1 安装工装对主螺栓进行切割

在需要切割的主螺栓左侧相邻螺孔位置，安装螺栓防倾倒装置假螺栓，将螺栓从法兰面上部约25mm处割断。在切割前需要对附近的螺孔的螺孔及法兰密封面进行保护。

5.2 螺栓掏空、取丝

主要工艺如下：①使用工装进行找中，确定机床主轴与螺孔中心重合。②残余螺栓掏空：加工螺纹孔内螺栓，直至内径为Φ149.60～Φ149.80mm时止。③螺孔内取残丝：配合使用手动工具，将存留在主螺栓孔中的螺纹丝卷出来。

5.3 用车床铣螺纹

更换铣螺纹的专用刀头、刀片。按照铣螺纹到M157×4进行，螺孔螺纹中径的标准值154.406～154.667mm。在扩孔尽心螺纹加工的过程中，中径值的控制非常重要。最后使用专用的通止规进行检查，测量中径尺寸，确认满足要求。

6 结语

针对本次出现的螺纹损伤，对原因进行了分析研究后，确定螺纹损伤的根本原因是拉伸机在拧入螺栓过程中首扣出现了磕碰，由于有力矩保护，螺栓卡涩在某一个地方，但是由于在后面处理卡涩的过程中使用了较大的力矩，导致螺栓孔螺纹出现了大面积的损伤。根据现场的实际情况及螺纹损伤情况，制定了对螺孔进行扩孔处理的方案，制作了工装，对方案在模拟体上反复试验，不断修改工装，修改工艺参数，在完成模拟试验后，在现场一次处理成功。

反应堆压力容器是核电站重要的不可更换设备，在反应堆开关盖期间要尽量避免螺栓咬死的情况，应对螺栓及螺孔螺纹的检查、润滑、拧入拧出的速度及力矩进行有效控制，在出现咬死后处理措施要保守，尽量避免对螺孔螺纹的损坏。螺栓咬死后的取出以及螺孔螺纹缺陷的处理的研究，为工程及运营期间出现该类问题提供了解决方案，提高了设备的可靠性。