秦山第二核電廠蒸汽發生器手孔螺栓改造

吳雷

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

關鍵詞：核電廠；蒸汽發生器；手孔螺栓；伸長量；螺栓拉伸機；水壓試驗 文獻標識碼：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

蒸汽發生器是核電廠一回路主要設備之一，其功能是用于將一回路產生的熱量傳遞給二回路的水以產生飽和蒸汽，飽和蒸汽沖轉汽輪機進行發電。每臺蒸汽發生器共有6個手孔，每個手孔有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生器二次側管束、管板等進行水力沖洗以及電力檢查。故需要打開蒸汽發生器二次側手孔，一般需開啟流量分配板下方的4個手孔。

1.2 改造原因

蒸汽發生器手孔螺栓結構形式原為平頭螺栓，在手孔開關時采用力矩扳手進行操作。在調試期間及101、102大修時多次發生手孔螺栓與蒸汽發生器本體螺紋咬死的情況，而且咬死螺栓的數量也呈增加的趨勢。

經過分析，發現平頭螺栓結構在使用扳手逐個擰緊時受力不均，在長期運行中的高溫膨脹和交變受力后，螺栓比較容易發生咬死。螺栓咬死后，在處理時可能損傷蒸汽發生器本體內螺紋，且處理時間較長，增加檢修人員輻照劑量，影響蒸汽發生器的檢修工期，并且蒸汽發生器二次側手孔屬于二回路壓力邊界，其完整性與核安全相關，因此對螺栓結構進行改造。

2 蒸汽發生器手孔螺栓改造設計

2.1 螺栓結構設計及應力分析

通過分析設計，將手孔螺栓結構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，螺栓、螺母、墊圈的材料也保持不變。螺栓結構改造后，通過應力分析核算表明，螺栓在各種工況下，應力均滿足ASME規范的要求，滿足設計要求。

2.2 螺栓殘余伸長量計算

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

螺栓殘余伸長量計算公式如下：

式中：

F——螺栓預緊力（N）

E——螺栓彈性模量（MPa）

L1——螺栓底部段的當量長度（mm）

A1——螺栓底部段的當量面積（mm2）

L2——螺栓中間段的當量長度（mm）

A2——螺栓中間段的當量面積（mm2）

L3——螺栓頭部段的當量長度（mm）

A3——螺栓頭部段的當量面積（mm2）

根據西屋和ENSA的報告、材料的彈性理論以及螺栓設計圖紙，得到以下數據：

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算值為0.21±0.01mm。

同時出于安全考慮（避免螺栓拉伸過長，損壞螺栓），設計院結合螺栓屈服強度，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 蒸汽發生器手孔螺栓改造試驗

3.1 螺栓改造試驗

3.1.1 伸長量與泵油壓之間的對應關系確定。手孔螺栓改造后，采用整體式螺栓拉伸機拉伸螺栓進行手孔開、關操作。由于螺栓拉伸機是通過油泵升壓帶動拉伸器油缸，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關系。

拉伸試驗在模擬體上進行，以確定伸長量與泵油壓之間的對應關系。試驗分兩步進行：試驗A、試驗B。

第一，試驗A：螺栓拉伸過程中伸長量與泵油壓之間的對應關系確定。

試驗采用8套螺栓，用數顯百分表對其中兩個對稱螺栓的伸長量進行對比測量，在每個壓力平臺進行讀數記錄伸長量。兩個螺栓的測量數據：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B：螺栓殘余伸長量與泵油壓之間的對應關系確定。

試驗采用8套螺栓，在每個壓力平臺卸壓后用數顯深度千分尺測量伸長量，拉伸后不針對殘余拉伸量進行調整。

試驗分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，得出結論如下：（1）在1200bar時，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置在1200bar；（2）要控制螺栓殘余伸長量在0.21±0.01mm范圍內，油泵需升壓至在1000bar左右。

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

按照試驗B的試驗程序對螺栓進行拉伸，計算殘余伸長量。對于未滿足要求的螺栓，再次安裝螺栓拉伸機進行升壓調整，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（工作壓力6.7MPa、設計壓力8.6MPa、1.1倍設計壓力9.4MPa、1.25倍設計壓力10.7MPa、1.5倍設計壓力12.9MPa）進行了保壓檢查，保壓時間為10min，檢查密封面無泄漏，拆卸后墊片無問題。

試驗結果表明，在螺栓殘余拉伸量滿足要求的情況下，手孔在正常運行壓力以及水壓試驗工況下，密封沒有問題。

3.2 螺栓備件拉伸試驗

每次停堆換料大修，一般只開啟兩臺蒸汽發生器的8個手孔，故先對8個手孔實施螺栓改造。實施8個手孔的螺栓改造，共需64套螺栓備件。拉伸試驗必要性：

3.2.1 手孔螺栓備件為國內某廠家制造提供，出廠前未做相關拉伸試驗，沒有螺栓拉伸的基礎數據，需要對拉伸試驗做一個全面的情況了解。

3.2.2 手孔螺栓備件存在個體差異性，殘余伸長量可能不一樣，為保證每個手孔的8顆螺栓承載預緊力均勻，螺栓差異應盡量小，需要通過拉伸試驗掌握差異性情況并進行調整。

3.2.3 手孔螺栓完整性與核安全相關，一旦服役后不能隨便互換、更換，需要通過拉伸試驗對每套螺栓標識編號，現場安裝時對應安裝，做好役前準備。

3.2.4 停堆換料大修期間，手孔位置的環境劑量較高，現場實施時盡量避免長時間作業，以減少作業人員輻照劑量。需要通過拉伸試驗做好前期準備，試驗數據可作為參考。

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

4 結語

以上敘述了蒸汽發生器手孔螺栓改造從設計到試驗的全過程。整個過程中，工作人員開動腦筋、克服種種困難，最終保證了手孔螺栓改造的順利實施。

在改造過程中，工作人員設計并做了各項試驗，有力地驗證了各項設計計算值，確保了改造的順利實施。這些試驗值得繼續推行和推廣。同時在改造過程中，也發現很多不足，后續需要改進。

4.1 經驗反饋

4.1.1 螺栓改造試驗確定了螺栓伸長量與泵油壓之間的對應關系，為后續操作規程的編制提供了理論依據。

4.1.2 水壓試驗進一步驗證了螺栓殘余伸長量的設計計算值，為后續手孔改造的現場實施提供了安全保證。

4.1.3 螺栓備件拉伸試驗減小了每組的螺栓差異性，確保了每個手孔上螺栓殘余伸長量的基本一致，保證了均勻的預緊力。同時對每套螺栓進行了標識編號，在現場實施時與每個手孔位置一一對應安裝，方便了后續檢修以及役檢的跟蹤。該試驗將在后續改造中繼續推行實施。

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行實時伸長量自動測量讀數。故采用數顯深度千分尺靠人工測量，測量時需將螺栓拉伸機拆掉。由于拉伸分幾次進行，所以每次測量伸長量時都需拆裝螺栓拉伸機一次，測量效率低，耗時耗力，作業人員所受輻照劑量偏大。

4.2 后續改進建議

針對以上經驗反饋的不足，在后續手孔繼續改造以及手孔檢修中，需考慮改進測量裝置。

聯系螺栓拉伸機廠家對測量表座進行重新設計改進，使測量表能夠安裝固定在螺栓端部進行自動測量讀數，以提高測量效率，優化作業人員受輻照劑量。

參考文獻

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[4] 關于1&2機組蒸汽發生器手孔、檢查孔螺栓改造項目問題的回復[S].中國核動力研究設計院，2010.

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（責任編輯：黃銀芳）