核電廠主設備用螺紋襯套研制與試驗

余 平 湯臣杭

（中國核動力研究設計院，四川 成都610213）

0 引言

核電廠的蒸汽發生器、穩壓器等主設備，在制造、安裝、檢修期間，其入孔、手孔和觀察孔的螺栓連接接頭處時常發生螺栓被咬死、螺紋孔的內螺紋被碰撞等問題，導致螺紋孔嚴重損壞，以至于不能采用一般的修理方法修復螺紋孔。在這種情況下，就可采用螺紋襯套來進行修復。采用螺紋襯套修復之后的螺孔無須更換螺栓，且有助于增強螺紋連接的承載力和抗疲勞強度。這種修理方法技術比較成熟、可靠，在國外核設備螺紋孔修理中被廣泛使用。

目前，國內二代及二代加核電廠主設備用螺紋襯套參考國外設計，缺乏相應的分析研究和試驗研究，無法滿足自主化三代核電機組（如華龍一號）的需求，為實現設計自主化和制造本地化，相關人員在國內開展了核電廠主設備用螺紋襯套的研制。本文論述了螺紋襯套研制的關鍵技術，針對螺紋襯套的工作特性進行了分析，并通過試驗進行了驗證。

1 螺紋襯套工作原理

螺紋襯套（Helical-Coil Threaded Inserts）是一種特殊的內螺紋緊固件。核設備用螺紋襯套是采用高強度、高精度、表面光潔的冷軋菱形鎳基合金絲精確加工而成的一種彈簧狀內外螺紋。

螺紋襯套的工作原理是在螺栓／柱和基體內螺紋之間形成彈性連接，消除螺紋制造誤差，提高連接強度。自由狀態螺紋襯套外徑大于螺孔的直徑，通過專用安裝工具使其直徑變小，旋入預先加工好的內螺紋中。螺紋襯套起到類似彈簧的膨脹作用，使其牢固地固定在螺紋孔內，不會隨螺栓轉動。螺紋襯套工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 螺紋襯套工作原理示意圖

2 螺紋襯套關鍵技術

2.1 結構設計

研究人員通過調研國外核設備螺紋襯套的相關資料，結合國內外相關標準，確定了螺紋襯套結構尺寸要求，螺紋襯套結構如圖2所示，其相關技術要求如下：螺紋襯套型面尺寸按國標執行；安裝柄位置尺寸E取引導圈Dy實際尺寸的1/2為其公稱尺寸，偏差為±0.15 mm；自由狀態下，螺紋襯套的外螺紋牙型角平分線應垂直于螺紋襯套軸線，其偏差應不大于4°；螺紋襯套兩相鄰圈之間的間隙應不大于0.25倍螺距；折斷槽應保證螺紋襯套在正確使用安裝工具時，安裝柄不折斷，安裝后，用專用去柄工具能將安裝柄在折斷槽處折斷并脫落，安裝柄去除后，不影響螺紋精度。

圖2 螺紋襯套結構圖

在確定螺紋襯套結構尺寸后，為保證螺紋襯套可正確安裝，還需確定螺紋襯套安裝用底孔尺寸，相關技術要求如下：螺紋襯套底孔的基本牙型符合國標規定；螺紋直徑的極限偏差從螺紋基本牙型線起，按垂直于螺紋軸心線方向計算；螺紋大徑偏差由螺紋工具確定；螺紋中徑的下偏差包括中徑本身的尺寸偏差和螺距、牙型半角誤差的中徑補償值，上偏差為中徑本身的偏差，用極限塞規檢查。

2.2 材料技術要求

調研國內外核動力裝置主設備用螺紋襯套材料，結合國內二代加核電站建造經驗，選用螺紋襯套材料牌號為GH4145，該材料等效RCC-M[1]牌號NC15FeTNb及ASME[2]牌號Inconel X750。該材料具有高強度、良好的韌性、良好的耐腐蝕性能，與低合金鋼底孔材料具有相近的熱膨脹系數，在核電站蒸汽發生器和穩壓器的螺紋襯套上已有不錯使用經驗。

2.3 制造

螺紋襯套制造工序包括軋絲、繞絲、沖斷、開槽、清洗和硬化熱處理等。

（1）軋絲：在專用軋絲機上將圓形原料絲冷軋擠壓成需要的菱形絲，并達到要求的截面尺寸，便于后續的繞套工作。軋絲的關鍵在于：①確定不同規格的菱形絲所需的原絲直徑；②確定軋絲所需的軋輥邊槽形狀；③確定軋絲機的功率、軋絲速率等。

（2）繞絲：將軋制好的菱形鋼絲在專用繞絲機上繞制出螺旋形線圈，形成螺紋襯套的雛形。繞絲的關鍵在于：①確定繞絲用的芯軸直徑；②確定專用繞絲車床的轉速；③確定一套符合生產實際的簡單易用繞絲板調整工藝。

（3）沖斷、開槽：將繞絲后兩端多余的工藝長度沖斷，并在安裝柄端一側的導引圈上開沖斷槽。

（4）清洗和硬化熱處理：采用超聲波清洗技術進行真空熱處理，嚴格控制工藝參數，保證獲得最終力學性能和表面質量。

產品最終性能指標如下：

1）室溫抗拉強度1 553 MPa；

2）室溫屈服強度1 436 MPa；

3）斷后伸長率19%；

4）360 ℃抗拉強度1 372 MPa；

5）360 ℃屈服強度1 200 MPa。部分性能指標優于國外同類產品。

3 分析和試驗

針對螺紋連接結構進行分析，結果表明，裝配螺紋襯套后載荷分布更均勻。如圖3所示，不裝配螺紋襯套時大部分應力集中在上面少數幾扣螺紋上，只有1/3的絲扣承擔了大部分載荷。而裝配螺紋襯套后，由于螺紋襯套有一定的柔性，在加載過程中能補償螺紋導程或螺紋角度誤差，從而使載荷均勻分布到螺紋全長，提高螺紋強度。

圖3 螺紋應力分布圖

研究人員還開展了螺紋襯套連接強度試驗和疲勞試驗。螺栓及螺紋襯套規格：M48x4；螺栓材料：42CDV4（RCC-M M5110）；底孔材料：18MND5（RCCM M2119）。該試驗裝置見圖4和圖5所示。

圖4 螺紋襯套連接強度試驗

圖5 螺紋襯套疲勞試驗

同時，進行了4組連接強度試驗，第1、第2組一端帶螺紋襯套一端不帶，第3組兩端均帶螺紋襯套，第4組兩端均不帶螺紋襯套，結果為：

（1）第1、第2組試驗中，不帶螺紋襯套一端先發生脫扣破壞；

（2）第3組發生破壞時的力大于第4組。試驗結果表明裝配螺紋襯套提高了螺紋連接強度。

疲勞試驗結果為：試驗螺栓斷裂，螺紋襯套表面沒有不可接受的缺陷，通止規檢查合格。試驗結果表明裝配螺紋襯套后的螺紋疲勞使用壽命好于螺栓。

4 結語

研究人員通過研制，掌握了核電廠主設備用螺紋襯套設計和制造的關鍵技術，實現了國內自主設計和制造。通過對螺紋襯套開展的連接強度試驗和疲勞試驗，驗證了螺紋襯套設計和制造的合理性。同時，試驗結果也表明裝配合適的螺紋襯套進行螺紋孔的修復，可以提高螺紋的承載能力。