秦山第二核電廠蒸汽發(fā)生器手孔螺栓改造

吳雷

摘要：蒸汽發(fā)生器手孔是二回路的重要壓力邊界。手孔螺栓由于結(jié)構(gòu)形式以及開關(guān)操作方式的原因，曾多次發(fā)生咬死，甚至損壞了蒸汽發(fā)生器本體螺紋。文章敘述了蒸汽發(fā)生器手孔螺栓改造的全過程，為后續(xù)其他手孔螺栓的改造以及手孔檢修的改進(jìn)提供了參考。

關(guān)鍵詞：核電廠；蒸汽發(fā)生器；手孔螺栓；伸長量；螺栓拉伸機(jī)；水壓試驗(yàn) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號：TH123 文章編號：1009-2374（2016）24-0029-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.014

1 緒論

1.1 前言

蒸汽發(fā)生器是核電廠一回路主要設(shè)備之一，其功能是用于將一回路產(chǎn)生的熱量傳遞給二回路的水以產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。每臺(tái)蒸汽發(fā)生器共有6個(gè)手孔，每個(gè)手孔有8顆螺栓。在每次停堆換料大修中，在役檢查人員均需對蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管束、管板等進(jìn)行水力沖洗以及電力檢查。故需要打開蒸汽發(fā)生器二次側(cè)手孔，一般需開啟流量分配板下方的4個(gè)手孔。

1.2 改造原因

蒸汽發(fā)生器手孔螺栓結(jié)構(gòu)形式原為平頭螺栓，在手孔開關(guān)時(shí)采用力矩扳手進(jìn)行操作。在調(diào)試期間及101、102大修時(shí)多次發(fā)生手孔螺栓與蒸汽發(fā)生器本體螺紋咬死的情況，而且咬死螺栓的數(shù)量也呈增加的趨勢。

經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)平頭螺栓結(jié)構(gòu)在使用扳手逐個(gè)擰緊時(shí)受力不均，在長期運(yùn)行中的高溫膨脹和交變受力后，螺栓比較容易發(fā)生咬死。螺栓咬死后，在處理時(shí)可能損傷蒸汽發(fā)生器本體內(nèi)螺紋，且處理時(shí)間較長，增加檢修人員輻照劑量，影響蒸汽發(fā)生器的檢修工期，并且蒸汽發(fā)生器二次側(cè)手孔屬于二回路壓力邊界，其完整性與核安全相關(guān)，因此對螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。

2 蒸汽發(fā)生器手孔螺栓改造設(shè)計(jì)

2.1 螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析

通過分析設(shè)計(jì)，將手孔螺栓結(jié)構(gòu)形式由原來的平頭螺栓改造成雙頭螺柱，螺柱中間開有通孔，安裝測量桿。手孔蓋及密封墊形式不做改動(dòng)，螺栓、螺母、墊圈的材料也保持不變。螺栓結(jié)構(gòu)改造后，通過應(yīng)力分析核算表明，螺栓在各種工況下，應(yīng)力均滿足ASME規(guī)范的要求，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 螺栓殘余伸長量計(jì)算

改造后的螺栓采用整體式螺栓拉伸機(jī)拉伸進(jìn)行手孔開啟、關(guān)閉操作，需要通過測量螺栓的殘余伸長量控制螺栓的預(yù)緊力，從而保證手孔的密封。

螺栓殘余伸長量計(jì)算公式如下：

式中：

F——螺栓預(yù)緊力（N）

E——螺栓彈性模量（MPa）

L1——螺栓底部段的當(dāng)量長度（mm）

A1——螺栓底部段的當(dāng)量面積（mm2）

L2——螺栓中間段的當(dāng)量長度（mm）

A2——螺栓中間段的當(dāng)量面積（mm2）

L3——螺栓頭部段的當(dāng)量長度（mm）

A3——螺栓頭部段的當(dāng)量面積（mm2）

根據(jù)西屋和ENSA的報(bào)告、材料的彈性理論以及螺栓設(shè)計(jì)圖紙，得到以下數(shù)據(jù)：

F=97580N E=204800MPa

L1=32.15mm A1=346mm2

L2=81.2mm A1=280mm2

L3=21.4mm A3=346mm2

代入上述公式：

計(jì)算得到ΔL≈0.21mm。考慮到殘余伸長量5%左右的誤差范圍，手孔螺栓殘余伸長量計(jì)算值為0.21±0.01mm。

同時(shí)出于安全考慮（避免螺栓拉伸過長，損壞螺栓），設(shè)計(jì)院結(jié)合螺栓屈服強(qiáng)度，給出了螺栓峰值伸長量參考值（≤0.34mm）和殘余伸長量參考值（≤0.27mm）。

3 蒸汽發(fā)生器手孔螺栓改造試驗(yàn)

3.1 螺栓改造試驗(yàn)

3.1.1 伸長量與泵油壓之間的對應(yīng)關(guān)系確定。手孔螺栓改造后，采用整體式螺栓拉伸機(jī)拉伸螺栓進(jìn)行手孔開、關(guān)操作。由于螺栓拉伸機(jī)是通過油泵升壓帶動(dòng)拉伸器油缸，將螺栓拉伸至一定伸長量，螺栓的伸長量大小直接由泵油壓的大小來控制，故需要確定伸長量與泵油壓之間的對應(yīng)關(guān)系。

拉伸試驗(yàn)在模擬體上進(jìn)行，以確定伸長量與泵油壓之間的對應(yīng)關(guān)系。試驗(yàn)分兩步進(jìn)行：試驗(yàn)A、試驗(yàn)B。

第一，試驗(yàn)A：螺栓拉伸過程中伸長量與泵油壓之間的對應(yīng)關(guān)系確定。

試驗(yàn)采用8套螺栓，用數(shù)顯百分表對其中兩個(gè)對稱螺栓的伸長量進(jìn)行對比測量，在每個(gè)壓力平臺(tái)進(jìn)行讀數(shù)記錄伸長量。兩個(gè)螺栓的測量數(shù)據(jù)：2#螺栓在1200bar的伸長量為0.30mm；7#螺栓在1200bar的伸長量為0.29mm。

第二，試驗(yàn)B：螺栓殘余伸長量與泵油壓之間的對應(yīng)關(guān)系確定。

試驗(yàn)采用8套螺栓，在每個(gè)壓力平臺(tái)卸壓后用數(shù)顯深度千分尺測量伸長量，拉伸后不針對殘余拉伸量進(jìn)行調(diào)整。

試驗(yàn)分5次拉伸，每次拉伸后卸壓測量殘余伸長量。最終得到1#～8#螺栓的殘余伸長量在0.190～0.215mm之間。

通過以上試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：（1）在1200bar時(shí)，螺栓伸長量大約在0.30mm，該值未超過螺栓峰值伸長量0.34mm，故拉伸過程中，油壓不應(yīng)超過1200bar，否則就有可能破壞螺栓，故拉伸前需將泵最高油壓設(shè)置在1200bar；（2）要控制螺栓殘余伸長量在0.21±0.01mm范圍內(nèi)，油泵需升壓至在1000bar左右。

3.1.2 水壓試驗(yàn)。蒸汽發(fā)生器手孔螺栓改造是一項(xiàng)非常重要的改造。為了確保萬無一失，我們在模擬體上進(jìn)行了常溫下的水壓試驗(yàn)，以驗(yàn)證螺栓殘余伸長量在滿足設(shè)計(jì)計(jì)算值要求的情況下，能保證手孔密封。

按照試驗(yàn)B的試驗(yàn)程序?qū)β菟ㄟM(jìn)行拉伸，計(jì)算殘余伸長量。對于未滿足要求的螺栓，再次安裝螺栓拉伸機(jī)進(jìn)行升壓調(diào)整，使所有螺栓的殘余伸長量滿足要求。

手孔螺栓拉伸好后，對手孔模擬體進(jìn)行充水、排氣、打壓。打壓過程中，升壓速率<0.4MPa/min，在各壓力平臺(tái)（工作壓力6.7MPa、設(shè)計(jì)壓力8.6MPa、1.1倍設(shè)計(jì)壓力9.4MPa、1.25倍設(shè)計(jì)壓力10.7MPa、1.5倍設(shè)計(jì)壓力12.9MPa）進(jìn)行了保壓檢查，保壓時(shí)間為10min，檢查密封面無泄漏，拆卸后墊片無問題。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在螺栓殘余拉伸量滿足要求的情況下，手孔在正常運(yùn)行壓力以及水壓試驗(yàn)工況下，密封沒有問題。

3.2 螺栓備件拉伸試驗(yàn)

每次停堆換料大修，一般只開啟兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器的8個(gè)手孔，故先對8個(gè)手孔實(shí)施螺栓改造。實(shí)施8個(gè)手孔的螺栓改造，共需64套螺栓備件。拉伸試驗(yàn)必要性：

3.2.1 手孔螺栓備件為國內(nèi)某廠家制造提供，出廠前未做相關(guān)拉伸試驗(yàn)，沒有螺栓拉伸的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，需要對拉伸試驗(yàn)做一個(gè)全面的情況了解。

3.2.2 手孔螺栓備件存在個(gè)體差異性，殘余伸長量可能不一樣，為保證每個(gè)手孔的8顆螺栓承載預(yù)緊力均勻，螺栓差異應(yīng)盡量小，需要通過拉伸試驗(yàn)掌握差異性情況并進(jìn)行調(diào)整。

3.2.3 手孔螺栓完整性與核安全相關(guān)，一旦服役后不能隨便互換、更換，需要通過拉伸試驗(yàn)對每套螺栓標(biāo)識(shí)編號，現(xiàn)場安裝時(shí)對應(yīng)安裝，做好役前準(zhǔn)備。

3.2.4 停堆換料大修期間，手孔位置的環(huán)境劑量較高，現(xiàn)場實(shí)施時(shí)盡量避免長時(shí)間作業(yè)，以減少作業(yè)人員輻照劑量。需要通過拉伸試驗(yàn)做好前期準(zhǔn)備，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可作為參考。

拉伸試驗(yàn)安排在EF5車間進(jìn)行，將64套螺栓備件隨機(jī)分成8組（A-H），按照A1-A8對每套螺栓進(jìn)行標(biāo)識(shí)編號。每次試驗(yàn)，安裝一組螺栓，按照前面試驗(yàn)B的試驗(yàn)程序進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，記錄每個(gè)壓力平臺(tái)的伸長量，計(jì)算殘余伸長量，不重新升壓進(jìn)行調(diào)整。比較每組內(nèi)8顆螺栓的殘余伸長量，挑選出差異較大的，與其他組進(jìn)行調(diào)整或者更換。通過試驗(yàn)，將每組螺栓的最終殘余拉伸量都調(diào)整到比較均勻的水平。

4 結(jié)語

以上敘述了蒸汽發(fā)生器手孔螺栓改造從設(shè)計(jì)到試驗(yàn)的全過程。整個(gè)過程中，工作人員開動(dòng)腦筋、克服種種困難，最終保證了手孔螺栓改造的順利實(shí)施。

在改造過程中，工作人員設(shè)計(jì)并做了各項(xiàng)試驗(yàn)，有力地驗(yàn)證了各項(xiàng)設(shè)計(jì)計(jì)算值，確保了改造的順利實(shí)施。這些試驗(yàn)值得繼續(xù)推行和推廣。同時(shí)在改造過程中，也發(fā)現(xiàn)很多不足，后續(xù)需要改進(jìn)。

4.1 經(jīng)驗(yàn)反饋

4.1.1 螺栓改造試驗(yàn)確定了螺栓伸長量與泵油壓之間的對應(yīng)關(guān)系，為后續(xù)操作規(guī)程的編制提供了理論依據(jù)。

4.1.2 水壓試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了螺栓殘余伸長量的設(shè)計(jì)計(jì)算值，為后續(xù)手孔改造的現(xiàn)場實(shí)施提供了安全保證。

4.1.3 螺栓備件拉伸試驗(yàn)減小了每組的螺栓差異性，確保了每個(gè)手孔上螺栓殘余伸長量的基本一致，保證了均勻的預(yù)緊力。同時(shí)對每套螺栓進(jìn)行了標(biāo)識(shí)編號，在現(xiàn)場實(shí)施時(shí)與每個(gè)手孔位置一一對應(yīng)安裝，方便了后續(xù)檢修以及役檢的跟蹤。該試驗(yàn)將在后續(xù)改造中繼續(xù)推行實(shí)施。

4.1.4 測量表座與螺栓端部不匹配，使得測量表無法安裝固定在螺栓端部進(jìn)行實(shí)時(shí)伸長量自動(dòng)測量讀數(shù)。故采用數(shù)顯深度千分尺靠人工測量，測量時(shí)需將螺栓拉伸機(jī)拆掉。由于拉伸分幾次進(jìn)行，所以每次測量伸長量時(shí)都需拆裝螺栓拉伸機(jī)一次，測量效率低，耗時(shí)耗力，作業(yè)人員所受輻照劑量偏大。

4.2 后續(xù)改進(jìn)建議

針對以上經(jīng)驗(yàn)反饋的不足，在后續(xù)手孔繼續(xù)改造以及手孔檢修中，需考慮改進(jìn)測量裝置。

聯(lián)系螺栓拉伸機(jī)廠家對測量表座進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改進(jìn)，使測量表能夠安裝固定在螺栓端部進(jìn)行自動(dòng)測量讀數(shù)，以提高測量效率，優(yōu)化作業(yè)人員受輻照劑量。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）