VVER反應堆壓力容器主螺栓卡澀問題分析與處理

雷世和

（江蘇核電有限公司，連云港 222000）

關鍵字：壓力容器；主螺栓；主螺栓孔；卡澀；強度計算；預防措施

VVER-1000 型反應堆壓力容器是核電站反應堆冷卻系統的重要壓力邊界，是核電站的核心設備。主螺栓與主螺孔相連接，將壓力容器與頂蓋緊固，起到密封作用。壓力容器主螺栓與主螺孔的卡澀問題在設備制造、設備安裝調試、生產運行中時有發生。

本文通過對某核電站4 號機組反應堆壓力容器的51 號主螺孔卡澀問題進行分析，得出了在螺紋損壞不大時可以使用原樣接收的方式處理不符合項的結論，分析結果在該核電站壓力容器上得到了運用。本文為后續同類型核電壓力容器主螺栓卡澀問題提供了理論參考及實踐指導，并給出了設備監造期間如何預防螺栓卡澀問題的實操性建議。

1 VVER-1000 型反應堆壓力容器主螺栓介紹

VVER-1000 型壓水堆機組，堆型為V-428，共計54 組螺栓穿過頂蓋和壓力容器內螺栓孔，將頂蓋與壓力容器相連接，起到密封作用?？赏ㄟ^螺栓拉伸機將主螺栓預緊在主結合面上，主螺栓由主螺栓本體、兩段絲堵、套筒、墊片、中心測量桿組成，螺紋直徑M170×6 mm，全長1950 mm。

利用54/8000-DR100-ST 型螺栓拉伸機，以中心對稱式依次對54 根主螺栓進行整體拉伸，同步緊固主螺母，經過多輪的拉伸后，通過中心測量桿測量拉伸量，當拉伸量達到標準要求值后，卸載主螺栓拉伸機，主螺栓拉伸示意圖見圖1。拉伸的螺栓的彈性形變提供了預緊力作用在壓力容器的螺栓孔與頂蓋上的螺母，螺母壓在頂蓋上法蘭處，配合鎳墊圈使反應堆壓力容器主密封面得到密封。

圖1 VVER-1000 堆型RPV 主螺栓拉伸示意圖Fig.1 VVER-1000 type RPV main bolt tension photo

壓力容器主螺栓卡澀主要發生在主螺栓與螺栓孔配合的螺紋段，導致主螺栓卡澀的因素主要有螺栓及螺栓孔機加工、螺紋磨損和缺陷、異物或積屑瘤、拆裝操作或保養不當等［1］。

2 常見螺栓卡澀問題處理方式

2.1 打磨后原樣接收

考慮螺孔中螺紋損壞不嚴重，通過計算螺孔中螺紋實際尺寸與極限尺寸的主螺栓配合后的強度，判斷是否仍然滿足設計要求。

優點：不用改動原設計結構，簡單打磨處理毛刺，處理簡單，耗時短。

缺點：只能針對螺孔損壞不嚴重的情況，具體范圍根據實際測量值進行計算。

2.2 沿原螺旋線擴孔方案

當螺栓孔螺紋損傷主要表現為表面損傷，且經過沿原螺旋線擴孔可完全去除缺陷且形成完整螺牙時，可優先選擇沿原螺旋線修復的方案；沿原螺旋線的擴孔修復方案是利用成形刀具在原有的螺紋基礎上，沿原螺旋線直接切削螺紋齒面和齒頂達到重塑螺紋的技術。［2］

優點：該技術的優點是螺孔母材去除量極少，對主螺栓孔結構影響較小。

缺點：對機加工設備要求高、對刀找正難。［3］

2.3 重新加工新螺紋的擴孔修復方案

去除原螺紋重新加工螺紋的擴孔方案一般是用于沿原螺旋線擴孔方案失敗后的備選方案［4］?；蛘呗菁y損傷已經超過了近表面，此時需要根據實際損傷后的螺孔情況考慮擴孔的大小，以盡可能小的方式選擇擴孔尺寸［5］。

優點：對于一般不同程度的螺孔損傷均通用。

缺點：對已經安裝在核電現場的反應堆壓力容器的現場施工要求較高，受可用修復專用設備的限制，處理周期長。

2.4 螺紋襯套方案

螺紋襯套分為鋼絲螺紋襯套和薄壁結構襯套兩種。鋼絲螺紋襯套是由高精度菱形截面的不銹鋼絲精確加工而成的一種彈簧狀內外螺紋同心體。

優點：具有連續強度高、抗震、抗沖擊和耐磨損的功能，并能分散應力，保護基體螺紋，延長基體的使用壽命。

缺點：對于核電廠反應堆壓力容器的大尺寸螺紋結構加工難度大，無法保證所需尺寸。

3 螺栓孔損傷情況介紹

某核電站4 號機組壓力容器在設備制造廠制造過程中，第51 號主螺栓孔前5 圈止規通過。壓力容器主密封面螺紋孔根據設計要求為M170×6-6G，按ΓOCT 24705-2004 和ΓOCT 16093-2004 標準，螺牙中徑為166.183～166.583 mm，內徑為163.585～164.385 mm。

主螺孔螺紋尺寸不滿足設計要求，損壞的螺紋見圖2。

圖2 壓力容器主螺栓孔損傷照片Fig.2 Picture of damaged main bolt hole of RPV

對損壞的螺紋孔進行尺寸測量，結果見表1。

表1 51 號M170×6-6G 螺栓孔直徑測量值Table 1 Measurements results of diameters of thread M170×6-6G in hole No.51

4 強度分析

鑒于螺栓孔損壞的情況不算嚴重，準備對損傷的螺紋孔進行打磨處理，清除掉毛刺、積屑瘤等。并對剩余的螺紋情況進行強度計算，分析強度能否滿足標準要求。

4.1 初始尺寸輸入

螺紋的中經和內徑尺寸與對應的螺紋匝數位置示意圖如圖3 所示。

圖3 整個螺紋孔長度范圍內內徑尺寸D1 和中徑尺寸D2 及內徑最小最大尺寸［D1min］，［D1max］，中徑最小最大尺寸［D2min］，［D2max］Fig.3 Diagram of values of inner D1 and angle D2 diameters of thread of seat，tolerance ranges for inner ［D1min］，［D1max］ and angle ［D2min］，［D2max］ diameters of thread

根據表1，可以計算出螺紋的平均值（見表2）。

表2 內徑平均值 和中徑平均值 Table 2 Average values of inner and angle diameters of thread

表2 內徑平均值 和中徑平均值 Table 2 Average values of inner and angle diameters of thread

內徑D1沒有超標尺寸，符合圖紙及標準要求。中徑D2存在超標尺寸，超標尺寸在前5 匝。

4.2 螺紋承載可靠性分析

通過以上信息分析螺紋孔尺寸偏差對M170×6-6G/6e 螺栓接頭強度的影響。螺紋尺寸的靜態強度主要是由螺紋接頭的重疊載荷匝數決定［6］，重疊載荷面積主要由螺栓的最小可能外徑與螺紋孔最大可能內徑的關系決定［7］。帶螺紋與螺栓M170×6-6G/6e 示意圖如圖4所示。

圖4 M170×6 螺栓接頭尺寸示意圖Fig.4 Profile of threaded joint M170×6

d=170 mm；D1=163505 mm；d2=166103 mm；H=5196 mm；h=32475 mm；D1max=164385 mm。

螺紋M170×6-6G/6e 在公差下的最小可能重疊長度如下：

式中：dmin=d-δd=170-0.718=169.282 mm -螺栓M170×6-6e 螺紋的最小外徑；

d=170 mm -螺栓螺紋的公稱外徑；

δd=0.718 mm -螺栓M170×6-6e 螺紋外徑最大偏移量；

D1=163.505 mm；

螺紋的理論高度（標準螺距S=6 mm），根據圖4 幾何尺寸計算出：

在螺紋內徑平均值下的值為：

上述計算表明，使用極限尺寸的主螺栓與51 號螺孔配合，載荷能力仍然能得到保證。與標準狀態下的螺紋相比，可靠關系值沒有變小，因此確保了接頭的載荷能力。

4.3 各工況下應力分析

下面分別校核螺栓擰緊、工作壓力、水壓試驗壓力等工況下螺孔中的應力［8］。在極限值和標準尺寸兩種情況下，螺栓M170×6 尺寸計算取值及公式如下。

Rmδ=834 MPa-螺栓材料（鋼38XH3MΦA）在設計溫度T=350℃下的最小極限強度；

RmΓ=539 MPa-法蘭材料（鋼15X2HMΦA）在設計溫度T=350℃下的最小極限強度；

z=54 -螺栓數量；

Fw-設計工況下螺栓上的應力（預緊和強度水壓試驗）；

Fw=345.1·106H -螺栓擰緊時；

Fw=377.8·106H -設計壓力下；

Fw=390.5·106H -強度水壓試驗下。

法蘭材料鋼 15X2HMΦA 允許的剪應力：

主螺栓材料鋼38XH3MΦAКП 880 允許的剪應力：

通過以上計算，在尺寸極值的條件下，計算結果見表3、表4，螺紋接頭的剪切應力滿足俄羅斯ПHAЭГ-7-002-86（核動力裝置設備和管道強度計算規范）標準要求［9］。

表3 M170×6-6G 螺孔強度評定Table 3 Strength assessment of thread of seat M170×6-6G

表4 螺栓M170×6-6e 螺紋強度評估Table 4 Strength assessment of thread of studs M170×6-6e

5 監造期間預防措施

經過以上計算，51 號螺孔可以經過簡單地打磨去除表面毛刺、積屑瘤，通過原樣接收的方式處理該不符合項。

為了避免后續制造過程中主螺栓卡澀問題，筆者對主螺栓安裝工序進行了梳理，并進一步防范了主螺栓卡澀問題。制造廠及監造人員應采取的預防措施如下：（1）對螺栓孔以及主螺栓的機加工質量進行嚴格監督控制，尺寸驗收階段應使用通規、止規進行檢查，同時注意表面的清潔度、平整度，螺牙是否存在毛刺、積屑瘤等異物［10］；（2）細化操作規程，補充主螺栓擰入、擰出的要求；（3）對主螺栓擰入、擰出的工段人員進行補充工藝培訓和指導；（4）對后續螺栓擰入、擰出螺栓孔過程中增加工長和質量監督員的全程監督；（5）對打磨操作工進行培訓，并進行全程監督；（6）對壓力容器主螺栓孔進行修磨后，對所有螺栓孔和主螺栓進行再次檢查；（7）安裝主螺栓前檢查主螺栓孔的清潔度、主螺栓孔和主螺栓螺牙是否存在毛刺、二硫化鉬潤滑脂質量及潤滑狀況。［11］

6 結語

螺栓孔卡澀問題可以通過4 種方式進行處理：打磨后原樣接收、沿原螺旋線擴孔、重新加工新螺紋的擴孔修復、螺紋襯套，根據螺栓孔損傷程度的不同進而選擇合適的處理措施。其中最簡明有效的方式為對原損傷的螺紋孔進行打磨，去除表面毛刺、積屑瘤［12］。

本文通過對某核電站4 號壓力容器51 號螺栓孔問題進行分析和處理，對螺紋孔內徑、中徑等實際尺寸進行建模分析，通過計算損壞的螺紋在極限尺寸的螺栓配合下仍然能夠滿足螺紋載荷能力，以及俄標ПHAЭГ-7-002-86 中規定的剪應力強度要求，選擇對原損傷螺孔進行打磨后原樣接收的處理方式。

文中案例為后續監造以及生產運營過程中預防和處理壓力容器螺栓卡澀問題提供了理論支撐及實踐指導。