某核電廠反應堆壓力容器法蘭螺栓咬死問題處理研究

施英杰

（中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 518124）

1 引言

反應堆壓力容器為核電站反應堆冷卻劑系統的主設備之一，固定和包容堆芯及堆內構件，使核燃料的裂變反應限制在一個密封的空間內進行。它和一回路管道共同組成高壓冷卻劑的壓力邊界，是防止放射性物質外逸的第二道屏障之一。在筒體法蘭上鉆有58個螺孔，用以安裝螺栓與頂蓋密封，螺栓擰入過程中如果發生螺栓咬死的情況，處理起來比較困難，且影響較大。

2 反應堆壓力容器頂蓋螺栓咬死案例分析

某核電站在調試期間關閉反應堆壓力容器頂蓋，出現了3顆法蘭螺栓咬死，編號分別為19、33、55號。螺栓咬死后，采用松動劑浸泡，銅棒敲擊、加大反轉力矩擰出幾圈后徹底不能轉動。

反應堆壓力容器法蘭螺栓一共有58顆，螺栓規格為M155×4，螺栓材質為40NCDV7.03，重量約為 270kg，壓力容器材質為錳鎳鉬低合金鋼（16MND5），螺栓由整體螺栓拉伸機自動擰入。在螺栓出現咬死后，由于螺栓尺寸較大，現場加工了工裝首先對缺陷螺栓進行了切斷，然后對斷掉的螺栓從中心進行擴孔，最后擴孔至（149.60～149.80）mm，使得螺栓只留有約1mm的薄片后把殘余的部分取出。取出后對螺孔螺紋檢查，19號和33號螺孔螺紋損傷較輕，經過常規的修復后滿足使用條件。

對29號螺孔螺紋使用梳刀、銑刀、打磨、拋光等工具對損傷螺紋進行了銑削去除和拋光打磨，初步修復后檢查發現較多螺紋扣出現損傷，29號螺孔總體情況如下：①第2-20扣螺紋，中徑實測值超出設計最大值152.667mm，其中8-18扣螺紋中徑值達到或超過M156螺孔中徑值范圍；②第21-55扣螺紋尺寸符合設計要求；

使用螺孔視頻檢查工具間接目視，螺紋損傷情況嚴重。

3 原因分析

螺栓在擰入螺孔的過程中，出現咬死、損傷螺紋是工程機械常見的問題。螺栓在旋入過程中，螺紋之間產生摩擦和切削，因此產生一些細小的碎屑，這些碎屑隨著螺栓的旋轉跟隨移動，并且不斷積累，隨著碎屑的積累變大，對螺紋表面的切削也逐漸增加，當碎屑累積到一定大小后，形成積屑瘤，并在摩擦產生的熱量的作用下，釬焊在螺栓的螺紋表面，最終使得螺栓咬死。

針對前述問題，為了查找螺栓咬死的根本原因，對螺栓及螺孔材質及硬度，螺栓擰入的過程，最后，結合咬死的理論與現場螺紋損傷的具體情況，綜合分析得出本次螺栓咬死的根本原因。

3.1 材質分析

反應堆壓力容器本體螺孔材質為16MND5，主要用于制作核電工程中蒸發器、穩壓器、壓力容器及封頭、支撐部件。螺孔材質 16MnD5力學性能：HB=200，Rm=550-670Mpa，Rp0.2≥400Mpa；螺栓材料為 40NCDV7-0.3力學性能：Rp0.2≥900Mpa,Rm=1000-1170Mpa，HB=302-375。從力學性能來看，螺栓材質的硬度比法蘭螺紋的硬度（相差約100HB），螺栓在下旋過程中形成積屑瘤產生高溫并在螺紋之間產生塑性變形，使其硬度高于法蘭螺孔材質的硬度，積屑瘤在螺栓與螺孔螺紋之間，隨著螺栓的旋入在法蘭螺紋螺牙上留下了溝痕，造成了螺紋損傷。

3.2 螺栓擰入過程分析

反應堆壓力容器螺栓擰入由整體螺栓拉伸機進行，由機器的機械手抓取螺栓后自動擰入，由于螺栓自重有270kg，螺栓緩慢下降到螺孔的第一扣螺紋，然后自動旋入，剛開始是慢速，在擰入幾扣后速度開始上升，同時機械手上有重力補償，防止螺栓螺紋與螺孔螺紋摩擦，在擰入的過程中有力矩進行控制，超過150N.m后會有報警，同時機械手停止動作，需要人工進行干預，查找原因。最大的力矩值不能超過200N.m。力矩出現報警的情況，主要有以下幾個方面：

①螺孔螺栓接觸部位存在異物，在結合處形成卡澀。本次在螺栓擰入前對螺栓及螺孔螺紋進行了仔細檢查，記錄顯示此情況的可能性較小。

②螺栓在下降的過程中，首扣出現了磕碰，造成了螺紋凸出螺紋表面，在旋入的過程中不斷把螺牙上的材料帶下來最終超過擰入的力矩保護值。咬死螺栓拆除后發現首扣螺紋有變形。

從以上幾個方面分析可以看出，反應堆壓力容器螺孔及螺栓材質滿足相關技術要求及規范，螺栓在擰入過程中，整體螺栓拉伸機出現了報警并及時停了下來。結合現場反饋信息，原因分析如下：①在此次事件前，反應堆壓力容器開關頂蓋在在役機組執行了多次，未出現螺栓咬死的反饋，判斷出現此問題為個別問題。②由于有整體螺栓拉伸機的力矩保護，在該力矩下不足以造成螺孔材料出現較大的屈服。從螺孔螺紋的損傷情況看，在出現卡澀后處理時使用較大的力矩進行了反復操作導致，造成了螺紋力矩出現過載。

綜上所述，本次螺栓咬死的可能原因是拉伸機在擰入螺栓過程中首扣出現了磕碰，由于有力矩保護，螺栓卡澀在某一個地方，但是由于在后面處理卡澀的過程中使用了較大的力矩，導致螺栓孔螺紋出現了大面積的損傷。

4 處理方案

內螺紋缺陷處理常見的方法有：用絲錐修復，對螺紋孔擴孔并安裝螺紋絲套、對螺紋孔擴孔更換更大尺寸的螺栓。

由于螺紋損傷較大，且第2到20扣中徑值已經超出設計標準，無法滿足要求，故此種方案排除。

安裝螺套需要對螺孔進行擴孔，由于螺孔旁邊有反應堆壓力容器的堆焊層，距離較近，如果采用安裝螺套的方案，會對堆焊層有影響，故采用直接擴孔的方案。

5 修復方案實施

在確定實施方案后，對螺孔進行了清潔，在現場實施前，采用模擬件進行了反復模擬的操作，優化了機床定位找中方法，也驗證了方案的可行性。

從出現咬死后，現場具體實施情況如下：

5.1 安裝工裝對主螺栓進行切割

在需要切割的主螺栓左側相鄰螺孔位置，安裝螺栓防傾倒裝置假螺栓，將螺栓從法蘭面上部約25mm處割斷。在切割前需要對附近的螺孔的螺孔及法蘭密封面進行保護。

5.2 螺栓掏空、取絲

主要工藝如下：①使用工裝進行找中，確定機床主軸與螺孔中心重合。②殘余螺栓掏空：加工螺紋孔內螺栓，直至內徑為Φ149.60～Φ149.80mm時止。③螺孔內取殘絲：配合使用手動工具，將存留在主螺栓孔中的螺紋絲卷出來。

5.3 用車床銑螺紋

更換銑螺紋的專用刀頭、刀片。按照銑螺紋到M157×4進行，螺孔螺紋中徑的標準值154.406～154.667mm。在擴孔盡心螺紋加工的過程中，中徑值的控制非常重要。最后使用專用的通止規進行檢查，測量中徑尺寸，確認滿足要求。

6 結語

針對本次出現的螺紋損傷，對原因進行了分析研究后，確定螺紋損傷的根本原因是拉伸機在擰入螺栓過程中首扣出現了磕碰，由于有力矩保護，螺栓卡澀在某一個地方，但是由于在后面處理卡澀的過程中使用了較大的力矩，導致螺栓孔螺紋出現了大面積的損傷。根據現場的實際情況及螺紋損傷情況，制定了對螺孔進行擴孔處理的方案，制作了工裝，對方案在模擬體上反復試驗，不斷修改工裝，修改工藝參數，在完成模擬試驗后，在現場一次處理成功。

反應堆壓力容器是核電站重要的不可更換設備，在反應堆開關蓋期間要盡量避免螺栓咬死的情況，應對螺栓及螺孔螺紋的檢查、潤滑、擰入擰出的速度及力矩進行有效控制，在出現咬死后處理措施要保守，盡量避免對螺孔螺紋的損壞。螺栓咬死后的取出以及螺孔螺紋缺陷的處理的研究，為工程及運營期間出現該類問題提供了解決方案，提高了設備的可靠性。