反应堆压力容器主螺孔螺纹研磨修复工艺开发和应用

摘要：反应堆压力容器作为核电厂核心设备，其法兰主螺孔螺纹的损伤修复非常关键，任何细小缺陷都可能导致主螺栓植入或拧出时卡涩或咬死等严重后果。针对不同形式和严重程度的螺纹缺陷，需选择合适的修复工艺，在确保螺纹修复质量和安全的前提下，实现反应堆主螺孔螺纹精细、高效的在线修复。某核电厂调试期间出现主螺孔螺纹区域性划痕、毛刺等缺陷情况，鉴于传统刮刀、油石等手工修复方法效率较低、效果不好，开发了一套主螺孔在线研磨修复装置和工艺并得到成功应用，取得了较好效果，可为后续反应堆压力容器主螺孔螺纹在线修复提供参考和借鉴。

关键词：反应堆压力容器;主螺孔;研磨;修复

0    引言

压水堆核电站反应堆压力容器法兰主螺栓和螺孔螺纹的配合非常精密。据国内外很多主螺栓或螺孔螺纹损伤的经验反馈，任何细小的螺纹缺陷都有可能导致主螺栓植入或拧出时卡涩甚至咬死，进而可能造成主螺栓或螺孔螺纹严重损伤，并导致主螺栓报废、钻取或主螺孔扩孔、重新攻丝，严重影响换料大修关键路径，对核电厂安全、可靠运行造成严重影响[1]。

相比主螺栓螺纹，主螺孔位于压力容器本体上，其螺纹材质较软。由于受主螺栓、螺孔螺纹配合及可能的异物引入等因素影响，在主螺栓旋拧过程中螺纹副摩擦可能产生损伤。主螺栓缺陷可以离线处理或直接更换，而主螺孔则只能在线修复。在反应堆压力容器完成现场安装之后，特别是在核电厂投运之后，反应堆压力容器法兰面区域具有较高的辐射剂量率，并需要满足最高等级的防异物控制要求，因此核电厂在每次换料大修期间都要对主螺孔螺纹进行严格清洗和检查，对发现的任何划痕、毛刺和变形、凸起和坑点等缺陷均需进行精细处理和修复，尽可能改善螺纹配合状况并防止螺纹卡涩和咬死。

1    主螺孔缺陷情况

某三代压水堆核电机组调试期间在主螺栓首次拆装之后对主螺孔的视频检查发现，多个螺孔出现区域性划痕、毛刺和拉毛情况，经分析认为是主螺栓孔在工厂车削加工过程中遗留的积屑瘤粘连在螺牙顶部或根部表面，在主螺栓旋拧配合和拉伸加载、卸载受力过程中剥落分离，形成细小金属切屑、毛刺或颗粒异物，并在后续主螺栓旋拧配合中导致主螺孔螺纹表面形成区域性的划痕、毛刺、拉毛等损伤情况。虽然除局部少量缺陷较为明显外，整体损伤比较轻微，但考虑到这种区域性螺纹表面缺陷可能会导致后续螺纹配合情况恶化，认为有必要妥善處理[2]。

针对不同形式和严重程度的螺纹缺陷，需选择合适的修复工艺或工艺组合。通常针对局部、少量的螺纹表面划痕、毛刺、坑点、凸起、犁沟以及螺牙缺口、变形等缺陷，可采用刮刀、三角油石或精钢什锦锉等工具进行手工修复，主要消除凸起、毛刺和尖锐表面并进行光滑过渡;针对较为严重的螺牙倒伏、凸起、变形或乱扣情况，则需采用专用丝锥或螺纹梳刀进行矫正处理，丝锥具有较强的切削功能，对螺纹变形凸出部分会产生较大的切削量，有一定风险，须谨慎使用。而对于当前这种区域性、普遍的细小螺纹缺陷或表面降质，采用传统的油石等手工修复方法，工作效率较低且整体均匀性较差，而螺纹丝锥也明显不适用。为此，需寻求一种更有效的主螺孔螺纹表面修复方案，最终借鉴机械设备密封面研磨修复原理开发了一套主螺孔螺纹研磨修复装置和工艺，成功应用并取得了较好效果[3]。

2    螺纹对研装置设计

基于上述螺纹缺陷状况及现场实际环境条件，开发设计了一套内螺纹在线对研修复装置，借助装卸料机辅钩作为移动吊点，通过特制的外螺纹胎具与螺孔螺纹啮合，并添加合适的研磨膏进行旋转对研，实现对主螺孔螺纹细小的划痕、毛刺、变形、凸起和坑点等缺陷以及螺纹表面锈斑等降质情况的研磨修复和光滑过渡处理。

如图1所示，该装置主要由对研螺纹胎具、旋转操作手柄、回转装置和弹簧平衡器等部件组成。其中，对研螺纹胎具的外螺纹参照主螺栓螺纹规格（英制7-4UN-2A/2B）中径尺寸按照主螺栓标准螺纹中径偏大0.01 mm进行加工，胎具厚度取8扣螺纹左右，材料采用45#钢并经调质硬化处理，硬度要求不应低于主螺孔螺纹。其中回转装置和弹簧平衡器选用市场标准产品，弹簧平衡器的弹力和行程选取应与对研装置自重匹配，带有平衡力指示，平衡对研装置自重的同时也可以对螺纹胎具施加一定的提升力，以便实现对研螺纹胎具对主螺孔螺纹上、下表面的贴合研磨。

3    研磨修复工艺方案和应用

针对大面积、普遍性的细小螺纹缺陷，如划痕、毛刺、变形、小的凸起和坑点等缺陷，或螺纹表面存在顽固的锈斑和螺纹表面粗糙度降级等情况，以及经丝锥切削修复后的主螺孔，确定可采用在线研磨修复工艺，具体包括以下步骤：

步骤一：设计加工螺纹对研修复装置。参考主螺孔螺纹标准尺寸，设计加工对研螺纹胎具，并利用通止规或主螺孔对加工的对研螺纹胎具进行检验，确认对研螺纹胎具的螺纹尺寸合适。

步骤二：螺纹研磨修复准备。根据缺陷情况，选取和准备合适类型和颗粒度的研磨膏，均匀涂抹在待修复的反应堆压力容器法兰主螺孔螺纹缺陷区，研磨膏应加入适量润滑油调和，并视研磨效果由粗至细选用，推荐选用400～800目碳化硅研磨膏。借助装卸料机的辅钩作为移动吊点，将弹簧平衡器顶部挂在装卸料机辅钩上，并依次组装连接回转装置、连接管和对研螺纹胎具。

步骤三：螺纹研磨修复实施。操作装卸料机辅钩在线研磨修复装置与待修复的反应堆压力容器法兰主螺孔对中，适当调节装卸料机辅钩高度和弹簧平衡器平衡力，将对研螺纹胎具旋入反应堆压力容器法兰主螺孔螺纹缺陷位置进行反复旋转对研：（1）依靠对研螺纹胎具自重使其与反应堆压力容器法兰主螺孔螺纹上表面贴合，实现对螺纹上表面的研磨修复;（2）通过调节装卸料机辅钩高度，利用弹簧平衡器施加一定提升力，使螺纹对研胎具与反应堆压力容器法兰主螺孔螺纹下表面贴合，实现对螺纹下表面的对研修复。对研过程中应注意检查确认，防止夹渣对螺纹表面产生二次损伤，并根据实际操作手感和研磨效果适当添加润滑油，由粗至细更换不同颗粒度的研磨膏，直至螺纹研磨修复合格。

步骤四：螺纹修复后检查。清洗主螺孔，采用专用CCTV视频检查装置或反光镜，对修复后的主螺孔螺纹进行检查，确认螺纹原有划痕、毛刺、小的变形、凸起或坑点以及表面锈斑等缺陷已消除，光滑过渡、无凸起，并对修复后的螺孔采用经校验的标准通止规进行最终检测确认。

实践表明，所开发的主螺孔螺纹研磨修复装置和工艺可行，经过对研修复，主螺孔螺纹改善显著，在后续植入时与主螺栓啮合十分顺畅，弥补了传统使用油石、刮刀等手工修复以及丝锥修复工艺的不足，可高效修复主螺孔螺纹区域普遍性的划痕、毛刺、变形、凸起、坑点以及顽固锈斑，修复更精细可控，能显著改善螺纹表面质量及螺纹副配合状况，有效防止主螺栓装配时卡涩和咬死情况发生，同时可减少对维修人员的辐射剂量，且对手工技能要求相对较低。

4    结语

针对反应堆压力容器主螺孔螺纹表面缺陷修复处理，本文提出的主螺孔研磨修复装置和工艺，切实可行，能实现主螺孔螺纹区域性细小缺陷的精细、高效处理，效果显著，可为后续反应堆压力容器主螺孔螺纹及类似大尺寸内螺纹的在线修复提供参考和借鉴。

[参考文献]

[1] 周万云，许洪朋，刘东杰，等.反应堆压力容器主螺栓孔修复方案探讨[J].压力容器，2015（2）：75-80.

[2] 王仁科，张超，韩丽英.反应堆压力容器主螺栓卡涩分析[J].核安全，2013（S1）：110-113.

[3] 郑连纲，邹鸣中，谢海.反应堆压力容器螺孔及螺栓损伤评价技术[J].核动力工程，2015（5）：22-24.

收稿日期：2020-05-20

作者简介：何行洲（1985—），男，湖北麻城人，工程师，研究方向：核电厂反应堆检修。