穩壓器法蘭螺孔修復工藝控制與誤差分析

郭軼波

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

核電廠主設備壓力容器、穩壓器、蒸汽發生器的人孔、檢查孔的螺孔普遍采用沉孔結構，在制造、安裝、服役過程中，由于加工、使用、保養等原因，本體的部分螺栓孔可能產生損壞。對于不能簡單處理或原樣接受的缺陷，可采用擴孔攻絲后安裝螺紋套的工藝修復。與制造階段對比，已安裝和服役的設備加工條件和環境因素發生變化，需要根據實際情況重新制訂加工工藝。同時由于在核電廠主設備上普遍開始應用整體螺栓拉伸機，需要考慮重新加工后的位置精度滿足整體螺栓拉伸機的使用要求。

壓力容器、穩壓器、蒸汽發生器的螺栓孔的擴孔攻絲修復方法具有普遍性，但具體到個體設備上工藝有所區別和側重。本文重點描述某臺穩壓器螺孔的修復工藝，說明在工作位置和加工基準變化的情況下，通過公差傳遞、誤差分析及工藝控制，保障最終加工尺寸滿足原設計要求和整體螺栓拉伸機的使用要求。

1 故障描述與分析

穩壓器是壓水堆核電廠一回路的重要設備，穩壓器是一個立式圓筒形容器，其承壓殼體由三段圓筒形殼體和上、下半球型封頭組焊而成，穩壓器人孔是穩壓器上封頭的一部分，由人孔座、人孔蓋、襯板及相關的密封件、緊固件組成，人孔座、緊固件、人孔蓋共同構成穩壓器人孔的壓力邊界(見圖1)。

圖1 穩壓器上封頭和人孔座示意

某核電廠對穩壓器進行役前檢查時發現多處螺紋孔損傷(見圖2)，缺陷表現為部分螺牙表面不平整，缺陷呈魚鱗狀，部分牙尖缺肉。

圖2 受損螺紋孔示意

該穩壓器人孔座是一個單獨的鍛造結構件，焊接在穩壓器上封頭后進行螺孔加工[1]，人孔螺栓底孔采用數控銑鏜加工，螺紋采用絲錐手工攻絲加工；螺紋加工工藝為在底孔基礎上4錐成型，其中前3錐為人孔座單體上加工，在人孔座與上封頭主體焊接并熱處理完成后進行第4錐加工。內螺紋在加工中產生缺陷的原因一般有加工中絲錐損傷、潤滑不當、受力不均勻、未及時清理切屑等。經過對制造、驗收、安裝和調試階段的記錄進行調查及訪談，確認本例螺紋產生的缺陷具體原因為攻絲中未及時檢查和更換已鈍化的刀具，以及沒有及時清理切屑，屬于制造過程中的加工工藝不完善和質量控制缺失。

經過修磨處理后，仍有一個螺栓孔不滿足要求，由于已沒有加工余量，擬采取擴孔攻絲后加裝螺紋套的工藝修復。

2 工藝方案分析

制訂工藝方案中主要考慮的技術上可行、質量上可控、經濟上合理。根據以上原則，方案主要從以下方面考慮：修復的目標、工器具的選擇、工裝的設計、關鍵工藝控制等，闡述如下。

2.1 修復目標

修復目標確定了后續采取的工藝。本次維修的主要目標是保障修復后的螺紋達到設計尺寸精度要求和形位公差要求。穩壓器人孔座的設計要求及修復目標如表1所示。

由于維修工具的進步，核島主設備如壓力容器、穩壓器和蒸汽發生器的螺栓拉伸工具逐步由單體拉伸向整體拉伸發展，整體螺栓拉伸機的油缸布置密集，工作壓力高，配合間隙小，對螺栓理論中心線的形位公差要求高，因此維修的次要目標是工藝上保證修復后的螺栓理論中心線滿足使用整體螺栓拉伸機使用要求，根據整體螺栓拉伸機制造商的設計要求和穩壓器人孔設計圖紙，取穩壓器人孔蓋板上表面的高度(從基準面A沿螺紋孔軸線延伸150 mm)為延伸工差帶的參考基準。

表1 維修前后的主要工藝指標

注：未標注單位均為mm。

2.2 工器具選擇

修復工藝包含擴孔、攻絲、安裝螺紋絲套3個主要部分，所需選擇的加工工具需要具有鏜孔、攻絲功能。螺紋套的尺寸精度由產品保證，且容易更換，因此工藝中最為重要的是擴孔和攻絲，擴孔和攻絲的加工精度直接確定了最終尺寸精度和形位精度是否能夠滿足2.1節中位置度和垂直度修復目標。

從工藝要求和經濟型考慮，選擇電動鏜床和液壓攻絲機分別用于底孔加工和攻絲工序。并對原手工攻絲工藝進行了修改，從四錐手工成型改為機錐一次成型。經過對比分析，選擇符合《用于ISO米制螺紋的螺紋絲套》》(DIN 8140-1)標準要求的EGM48×4的機用絲錐，選擇的絲錐結構特點上對容屑進行了優化，并在切削刃上進行了特殊表明涂層處理，有利于實現一次攻絲達到最終尺寸，獲得良好的表面質量。

經查閱標準要求[2]和參考同行實踐后選擇A型螺紋套EGM48×4，選用的螺紋套實現人孔座母材的加工量最小，無須使用異徑螺栓。

2.3 工裝設計

與制造階段的車間加工對比，使用移動式機床加工中的機床固定方式、工件定位方式均發生了變化，其中固定方式由機床固定變成了工件固定，定位方式由數控機床定位變成了間接測量定位，加工基準面轉變為人孔座平面，螺孔理論中心線的位置度由數控直接定位轉變為間接測量。因此工裝設計須滿足如下要求：1)需要依靠附近螺孔進行工裝自身的固定，同時提供鏜孔、攻絲設備安裝固定的接口；2)可以調整機加工設備與缺陷螺孔的相對位置，滿足軸線對中要求。

考慮到工藝要求，結合鏜床和液壓攻絲機的工作特點和現場操作空間的限制，主要加工工裝及用途如表2所示。

表2 主要工裝及用途

圖3 連接螺柱示意

圖4 攻絲導向板示意

3 誤差分析和工藝控制

在考慮原設備制造公差、移動式機床的固有誤差的基礎上，對加工過程中產生的可能誤差進行分析，作為方案可行性的檢驗。

3.1 鏜孔和攻絲工藝

移動式鏜孔機床以被修復螺孔為基準，進行安裝找正。使用人孔座加工平面作為基準面A，使用輔助定位芯桿，機床打表的方法找到螺孔的近似中心線，參見圖5。

移動式鏜孔機床通過被加工螺孔相鄰兩個螺栓孔來連接，加工基準為擴孔定位芯桿上部的光桿部分。

圖5 鏜孔找中方法

為了保證絲攻的中心盡可能接近擴孔后光孔的中心，且垂直于基準面A，使用攻絲定位芯桿來找光孔的中心，然后再使用攻絲導向板，讓攻絲導向板旋入攻絲定位芯桿頂部螺紋，找到攻絲的中心位置，再將攻絲導向板固定。將攻絲定位芯桿退出，將絲攻旋入攻絲導向板，使用液壓攻絲機驅動絲攻，進行螺紋加工。

3.2 誤差分析

通過上述擴孔和攻絲工藝的分析，由于間接使用工裝來尋找原始螺孔和擴孔后光孔的中心，加上移動式設備找正的操作誤差，過程中每個步驟的理論極限誤差疊加后構成了總極限誤差。以下分析各工藝的理論誤差，并對總體誤差進行評價。

擴孔工藝誤差由以下因素構成：

1)擴孔定位芯桿與螺孔同軸度誤差D1;

2)擴孔定位芯桿同軸度誤差D2;

3)鏜床刀桿回轉中心同軸度誤差D3;

4)鏜床刀桿垂直度誤差D4。

攻絲工藝誤差由以下因素構成：

1)攻絲定位芯桿(光桿)直徑與擴孔后孔的間隙D5;

2)攻絲定位芯桿同軸度誤差D6;

3)攻絲導向板內螺紋和定位芯桿外螺紋的位置度誤差D7;

4)攻絲導向板內螺紋軸線垂直度延伸誤差D8。

如圖6所示，取螺紋帶工差[4]為M48×4-6H/5 h，內螺紋中徑極限誤差為0.315 mm；定位芯桿外螺紋中徑極限誤差為0.190 mm，誤差c=0.315+0.190=0.505 mm,即D7=0.505 mm。

圖6 攻絲導向板螺紋帶工差示意

綜上所述，螺孔修復工藝理論誤差匯總如表3所示。擴孔工藝極限誤差Db=0.120 mm，攻絲工藝極限誤差Dt=0.572 mm，總位置度誤差為0.692 mm，滿足原設計位置度誤差1.000 mm的要求。延伸至螺栓拉伸機工作位置的位置度誤差0.692 mm，滿足整體螺栓拉伸機的使用要求(要求小于1.2 mm)。

從以上分析中，可以看出攻絲階段誤差大于擴孔階段，對總誤差貢獻最大的因素是攻絲導向板內螺紋和定位芯桿外螺紋的配合間隙誤差，應對攻絲階段工裝進行重點控制，當出現與預期不符的結果時，可以優先考慮從攻絲導向板的加工精度上改進。

表3 誤差因素匯總

3.3 過程控制及結果驗證

在理論分析了可行性后，還需要進行過程控制，采取制訂專項的防異物方案、清潔方案和對關鍵步驟設置質量監督點增強工作質量控制。

上述方案經生效后，共進行了3次工藝驗證，結果均符合預期，證明工藝的可重復性較好。

4 結 論

通過理論計算、工藝驗證和過程控制，驗證穩壓器人孔座螺孔維修方案具備可執行性，工藝控制有效，結果具備可重復性。核電廠內關鍵設備的螺孔在車間加工和調試運行中損傷是普遍現象，帶來的后果是運行風險增加、工期損失和成本提高。核電廠主設備材料從材料、結構、位置上的特殊性均反映出難以在現場進行二次加工，應充分進行經驗反饋和制訂措施，在后續制造過程中有針對性地編制加工工藝，明確檢查項目及驗收準則。制訂相應質量控制計劃，鼓勵報告制度，避免將前端產生的問題帶到安裝和運行后處理階段。