“华龙一号”反应堆压力容器主螺栓缺陷处理工艺研究

韩文悦，王永鹏，崔运佳，庄泽楠

(中核国电漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

“华龙一号”示范工程的安全稳定运行对推动我国核电发展、实现强国战略具有重要意义。反应堆压力容器作为核安全关键设备，在“华龙一号”机组服役期间，需多次执行压力容器顶盖开关操作。操作过程中，需要利用螺栓拉伸机对主螺栓拆除及安装，由于螺纹孔及螺栓的加工尺寸公差等固有特性，螺纹表面的粗糙度会影响螺纹副之间的耐磨性、配合性及疲劳性能，螺纹副在大扭矩作用下旋入时，强烈摩擦会产生积屑瘤[1]，导致主螺栓旋至一定深度时卡住，无法继续旋入且出现无法退出的情况，直接影响核反应回路边界完整性，对核安全构成威胁，因而反应堆压力容器的主螺栓缺陷处理工艺研究越来越受到核技术领域的重视。

在已建“华龙一号”机组的反应堆压力容器建造、安装及运行过程中，福清核电某“华龙一号”机组于换料大修打开压力容器顶盖期间，使用整体螺栓拉伸机拆除41号主螺栓过程中，因螺栓存在轻微变形发生螺纹卡涩现象。经在线处理未果后，核电站保守决策在首次低低水位期间，在不扩大损伤螺纹孔的情况下，通过对主螺栓破坏性拆除的方式进行处理。本文结合此次反应堆压力容器主螺栓缺陷案例，对缺陷处理工艺进行研究。

1 设备结构及功能

“华龙一号”机组反应堆压力容器主要由顶盖组件、压力容器筒体、紧固件组件、密封件等组成，主螺栓共计60颗，均匀安装在反应堆压力容器筒体法兰上，如图1所示。

图1 反应堆压力容器俯视图及侧视图Fig.1 The top view and side view of reactor pressure vessel

每颗主螺栓配有主螺母、球面垫圈，均经过锰基磷化处理，通过化学除油、酸洗、磷化淤渣、烘干钝化等一系列化学反应处理，在主螺栓表面生成一层非金属的、不导电的多孔磷酸盐薄膜，改善主螺栓表面状态，包括摩擦系数、表面硬度等参数[2]。主螺栓本体长度(含适配器)为2270 mm，分为四部分：(1)与筒体螺纹孔配合的螺纹，规格为M170×4；(2)贯穿顶盖通孔的光杆，规格为φ164；(3)与主螺母配合的螺纹，规格为M170×4；(4)与螺栓拉伸机适配器配合的螺纹，规格为M140×4。主螺栓中心设置有(φ25±0.1)mm的通孔，通孔底部使用底塞封堵，中心孔底塞安装有1根测量杆，主螺栓拉伸时通过测量主螺栓顶端与测量杆上端面之间的差值以获得主螺栓的拉伸量，如图2所示。

图2 主螺栓示意图Fig.2 The schematic of the main stud

2 主螺栓缺陷表征

2.1 主螺栓紧固对中

“华龙一号”机组反应堆压力容器开关盖期间，螺栓拉伸机通过向主螺栓施加轴向外力，使主螺栓达到规定的伸长量，再拧紧螺母，去除外力后主螺栓得到所需要的预紧力，从而保障在主螺栓无扭剪切力和侧向力的情况下，使反应堆压力容器密封环的密封比压达到密封要求，继而承受反应堆一回路压力，起到密封作用，主螺栓拆除与安装紧固流程相逆。螺栓拉伸机主要由拉伸机构和旋转机构两部分组成，具体如图3所示。

图3 螺栓拉伸机结构示意图Fig.3 The schematic of stud drawing machine

主螺栓对中过程通过拧主螺栓机器人完成，主要由动力驱动装置、旋转操作装置以及控制报警装置三部分组成，具体如图4所示。主螺栓拉伸机器人以螺栓孔为基准，将主螺栓顺着螺纹孔的轴线旋入，主螺栓入扣前在自身重力作用下，依靠主螺栓下部导向段与螺纹孔内螺纹的导向作用实现对中跟随。主螺栓旋入主螺纹孔后，提升驱动装置万向节自适应补偿同轴度偏差引起的角度偏移。主螺栓旋出与旋入流程相逆，过程控制要素为螺纹啮合力矩[3]。

图4 主螺栓机器人结构示意图Fig.4 The schematic of main stud robot structure

2.2 缺陷外在表征

“华龙一号”反应堆压力容器主螺栓出现缺陷的情况下，在旋出与旋入过程中，主螺栓机器人螺纹啮合力矩值会发生报警。以某华龙一号机组大修为例，水压试验后需对反应堆压力容器进行开盖操作，其中41号主螺栓在顺利旋出30 mm后，主螺栓机器人出现螺纹啮合力矩值过力矩报警，表明主螺栓此时旋出力矩已大于载入螺纹啮合报警力矩值100 N·m，反转主螺栓发现不能退出。通过调增主螺栓机器人旋出力矩值至限值200 N·m，仍无法将主螺栓旋出，表明主螺栓此时已出现缺陷故障，如继续增大旋出力矩值将会加大反应堆压力容器筒体损伤程度。

2.3 缺陷内在表征

根据压力容器可靠性已有分析结论，结合应力-强度干涉模型，利用ANSYS程序的概率分析功能可求出反应堆压力容器母材强度可靠度为82%，主螺栓的可靠度为100%[4]。主螺栓孔的可靠度相较低于主螺栓，出现缺陷故障时，更大几率为主螺栓孔结构损坏，较常见的损坏表征为大扭矩作用下旋入和旋出时强烈摩擦产生的积屑瘤。

图5 主螺栓孔损坏图片Fig.5 Damage of the main stud hole

另一方面，由于主螺栓表面抗咬合剂存在涂抹过多的情况，同样可能促使主螺栓缺陷。现阶段使用的抗咬合剂主要成分为镍金属、石墨和矿物油，稀释后的抗咬合剂在螺纹表面的滞留能力降低，导致过量涂抹的抗咬合剂在螺纹旋合过程中，持续积聚在螺纹孔下部的间隙中。华龙一号机组满负荷时反应堆一回路冷却剂的平均温度为310 ℃，抗咬合剂长期处于高温环境下，螺纹副缝隙间局部产生不规则片状结痂。待主螺栓旋出时，螺纹副的峰、谷相互啮合，随着扭矩的不断增大，接触表面开始发生摩擦，螺纹副工作面间隙的抗咬合剂结痂被较硬的螺栓螺牙峰点切掉，这个切削过程不断重复发生，破坏了螺纹副接触表面的润滑状态，增大了摩擦倾向。被切削的结痂颗粒随着主螺栓的运动发生位移，并进一步聚积、相互黏着，具体如图6所示，当其达到一定尺寸后使螺纹副的间隙被填满，产生过盈配合，造成旋出阻力增大，甚至完全卡死。

图6 结痂颗粒积聚示意图Fig.6 The schematic of scab particle accumulation

3 缺陷处理工艺

针对反应堆压力容器存在缺陷的主螺栓，通过切割、钻孔、镗削等一系列机械加工工艺进行破坏性拆除及修复。缺陷处理过程中考虑工作人员及设备自身安全，除设置必要的辐射防护措施，如放射性场地去污、搭设SAS棚、覆盖铅材质金属皮等，还应关闭RNI盖板、清理相邻主螺栓孔并通过四氟乙烯等较软材料作螺纹保护，便于机加工工器具架设。该缺陷处理工艺同样适用于连续相邻的两颗主螺栓同时发生缺陷的情况，但需对机加工工器具进行适应性改装。

3.1 主螺栓切割

在缺陷主螺栓旁架设坡口机，为避免损伤筒体法兰表面，且尽量减少后续钻孔工作量，在压力容器法兰面上方约25 mm圆周处实施切割工作，具体如图7所示。为保障主螺栓切割面平整，在坡口机回转刀臂上安装百分表，以螺栓外径为基准，转动坡口机回转刀臂部分，校正刀臂运动轨迹与缺陷主螺栓同轴度偏差≤φ0.50 mm。同轴度调整完成后安装刀具并开动坡口机，在坡口机正常工作状态下，尽量切割最大深度，根据试验模拟经验，进刀量控制在(1.5±0.1)mm/min，实际切割操作时可根据具体情况进行调整。

基于反应堆工作区域外来引入异物对核安全的影响，压力容器法兰面以下范围需进行防护，防止切削产生的碎屑进入反应堆一回路系统，碎屑异物在15.5 MPa高压介质作用下存在穿透核燃料M5合金元件包壳的风险，进而导致烧结的二氧化铀(UO2)芯块产生的裂变产物于破裂处逸出。

图7 主主螺栓切割Fig.7 Cutting of the main stud

3.2 主螺栓钻孔

缺陷主螺栓完成切割后，在主螺栓剩余部分上方架设液压磁力钻床实施钻孔加工。提前测量主螺栓缺陷状态下螺纹载入的长度，人为控制钻头速度及加工深度，转速控制在20～25 r/min范围内，避免造成筒体基体损伤。钻孔操作后更换较大直径的钻头实施扩孔操作，一般选用尺寸为φ107的钻头，并配上φ12～φ25的钻孔导向头，调整钻床中心使钻孔导向头能够自由插入和退出主螺栓中心钻孔，正确发挥钻孔过程中的导向作用，具体如图8所示，作为后续镗削加工的前端步序。

图8 主螺栓扩孔示意图Fig.8 The schematic of reaming of the main stud

3.3 镗削加工

为保障镗削加工顺利完成，镗削前清理掉筒体法兰表面的铁屑杂物，清理主螺栓露在法兰上方的螺纹。架设数控镗床，具体如图9所示，调整镗床主轴中心与缺陷主螺栓外侧表面的同轴度，确保同轴度误差≤φ0.03 mm。安装镗刀开机在线机加工，镗刀进刀速度≤0.5 mm/min。镗削过程中多次测量加工孔的锥度情况，每向下镗削5 mm，都需检查残余螺栓的薄壁情况，按照主螺栓螺纹规格，镗削最大直径控制在φ164.20～164.80 mm，并注意检查主螺栓转动情况，如镗削过程中主螺栓已开始跟随镗刀转动方向移动，需立即停止镗削。

图9 主螺栓镗削示意图Fig.9 The schematic of main stud boring

3.4 剔除残余螺纹

缺陷主螺栓拆除的最后一步为残余螺纹剔除，小心夹住主螺栓顶部螺纹头，使其弯曲，将螺纹头部螺牙插入螺纹丝卷出杆。操作手柄小心转动螺纹丝卷出杆，将螺纹丝慢慢卷到螺纹丝卷出杆上，直至全部将残余螺纹剔除，具体如图10所示。卷出螺纹丝如遇到困难，使用薄的不锈钢片保护好已经取出螺牙的内螺纹面，使用手动气铣工具，小心铣削剩余螺栓小径厚实部份，然后使用螺纹丝卷出杆继续将螺纹丝慢慢卷出。卷出螺纹丝的过程中如果出现螺纹丝折断，则使用铜制锥子撬起螺纹丝头部，方便尖嘴钳或者螺纹丝卷出杆剔除残余螺纹。

图10 螺纹丝剔除示意图Fig.10 The schematic of thread removal

3.5 螺纹孔修复

缺陷主螺栓拆除后需对主螺纹孔进行检查，如果缺陷较小，可使用主螺栓长杆梳刀装置进行修复，切削原理如图11所示，确保主螺栓孔内螺纹经梳理后缺陷被消除且不留根。

图11 主螺栓梳刀切削原理示意图Fig.11 The schematic of the cutting principle of the main stud comb cutter

如果缺陷无法通过常规手段消除，则需对主螺栓孔进行扩孔修复。目前业界内普遍采用沿主螺栓孔原螺旋线扩孔修复、重新加工新螺纹扩孔修复和增加衬套修复三种方案，美国 Hydratight 公司和法国 EDF 公司分别研发了相应的机加工设备，国内德阳中瑞研发的移动式多功能内螺纹加工机，且已有实际修复案例证明其可行性[6]。

4 修复后核安全审查

由于反应堆压力容器属于涉核设备，对于反应堆压力容器主螺栓修复，至少从以下四方面进行核安全审查[7]。

(1)法兰螺纹应力计算

由于RCC-M标准内缺少螺栓孔应力验收准则，因此法兰螺纹应力核安全审查范围应包括应力集中系数选取合理性、平均剪切应力计算结果。

(2)扩孔修复对水压试验的影响

对于已经经过水压试验的设备，在核安全审查中应关注修复作业对水压试验的影响。

(3)模拟试验验证返修技术可靠性

审查关注模拟试验所使用模拟体尺寸及材料选择，以及试验过程中进刀量、找正对中控制、切削量等参数。

(4)经验反馈的审查

核安全审查重视不符合项处理所做的经验反馈工作，包括对技术和管理方面的措施，以及对其他机组类似设备的管理反馈等。

5 结论

文中涉及的福清核电某机组反应堆压力容器主螺栓卡涩问题，处理后螺纹卡涩缺陷已消除，经核动力院正式确认均满足使用功能，不影响设备安全，并经反应堆一回路水压试验验证满足设计要求。按照以上压力容器主螺栓缺陷处理工艺完成修复，既消除了设备零部件损伤，保障核级设备可靠性及核安全，又为机组换料大修周期节约了时间。