液壓螺母拉伸技術(shù)在核電廠反應(yīng)堆壓力容器預(yù)緊中的應(yīng)用

李學(xué)躍

（中國能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程有限公司，廣東深圳518120）

液壓螺母拉伸技術(shù)在核電廠反應(yīng)堆壓力容器預(yù)緊中的應(yīng)用

李學(xué)躍

（中國能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程有限公司，廣東深圳518120）

核電廠安裝和運(yùn)行階段，反應(yīng)堆壓力容器（RPV）螺栓的精確預(yù)緊是確保設(shè)備密封的重要步驟。介紹了一種適用于RPV螺栓預(yù)緊的新的技術(shù)——液壓螺母拉伸技術(shù)，從工作原理、結(jié)構(gòu)組成、螺栓預(yù)緊應(yīng)用、操作效率、運(yùn)行維護(hù)等方面簡述了這種技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用情況，并通過對比現(xiàn)有整體、單體螺栓拉伸技術(shù)，提出了這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性，為后續(xù)反應(yīng)堆壓力容器螺栓預(yù)緊提供一種新的選擇，也為國內(nèi)大直徑緊固件預(yù)緊技術(shù)的推進(jìn)提供一些參考。

液壓螺母拉伸；反應(yīng)堆壓力容器；螺栓；預(yù)緊

壓水堆核電廠反應(yīng)堆壓力容器（RPV）包容著堆芯和高溫、高壓、高放射性的冷卻劑，對緊固件的預(yù)緊精度和均勻性要求十分嚴(yán)格[1]，目前對于這種大直徑螺栓的預(yù)緊，主要采用的是單體或整體拉伸機(jī)進(jìn)行預(yù)緊[2-3]。由于單體機(jī)拉伸效率較低、預(yù)緊載荷均勻性差，在實(shí)際核電廠運(yùn)行中一般均采用整體螺栓拉伸機(jī)進(jìn)行螺栓拉伸，來保證螺栓緊固件的精確、均勻預(yù)緊。但整體拉伸機(jī)造價(jià)一般較高，且其拉伸圓直徑受限于螺栓圓直徑，須利用導(dǎo)軌跨過堆頂設(shè)備才能對螺栓進(jìn)行拉伸預(yù)緊，這對于反應(yīng)堆頂部空間受限或堆頂設(shè)備比螺栓圓更大的反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)行螺栓預(yù)緊時(shí)，就限制了整體機(jī)的使用。

液壓螺母拉伸技術(shù)是一種先進(jìn)的螺栓預(yù)緊方法，在美國核電廠反應(yīng)堆壓力容器螺栓預(yù)緊中已有廣泛使用經(jīng)驗(yàn)，特別適用于狹窄空間和重負(fù)荷緊固件的預(yù)緊，但這種預(yù)緊技術(shù)在國內(nèi)各壓水堆核電廠反應(yīng)堆壓力容器螺栓預(yù)緊中還未有相關(guān)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。本文將介紹液壓螺母拉伸技術(shù)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、反應(yīng)堆壓力容器關(guān)蓋螺栓預(yù)緊應(yīng)用和操作效率等，為后續(xù)反應(yīng)堆壓力容器螺栓預(yù)緊提供一種新的選擇，也為國內(nèi)大直徑緊固件預(yù)緊技術(shù)的進(jìn)步提供一些參考。

1 液壓螺母拉伸原理

液壓螺母拉伸技術(shù)是基于現(xiàn)有拉伸設(shè)備優(yōu)化改進(jìn)的一種先進(jìn)的螺栓拉伸系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有現(xiàn)代化的拉伸器和一體化的機(jī)械鎖緊環(huán)，通過液壓實(shí)現(xiàn)拉伸載荷的準(zhǔn)確和恒定性控制。其工作原理是利用液壓活塞直接對螺栓施加外力，使被施加力的螺栓在其彈性變形區(qū)內(nèi)被拉長，螺栓拉長后旋緊液壓螺母上的鎖緊環(huán)，鎖止螺栓在拉長位置上，從而實(shí)現(xiàn)螺栓的精確預(yù)緊。

圖1是RPV螺栓預(yù)緊或旋松時(shí)用到的液壓螺母結(jié)構(gòu)，其是通過在液壓系統(tǒng)的控制下，液壓流體通過接管嘴進(jìn)入到上、下部液壓單元件內(nèi)，在液壓力的作用下，驅(qū)動(dòng)上、下液壓單元內(nèi)的活塞帶著螺栓實(shí)現(xiàn)軸向拉伸，這時(shí)上部液壓元件與鎖緊環(huán)之間則出現(xiàn)間隙，表明螺栓已被拉伸。當(dāng)螺栓達(dá)到設(shè)計(jì)要求的伸長量時(shí)，停止加壓，然后旋轉(zhuǎn)鎖緊環(huán)以鎖緊螺母，從而實(shí)現(xiàn)軸向拉伸保留預(yù)緊力在螺栓里。

圖1 液壓螺母結(jié)構(gòu)示意圖

2 液壓螺母拉伸系統(tǒng)

液壓螺母拉伸系統(tǒng)相較于目前主流的整體螺栓拉伸機(jī)和單體拉伸機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單，主要有液壓拉伸螺母、雙環(huán)路液壓控制系統(tǒng)（含操作面盤）和高壓連接軟管三部分組成，如圖2所示。

圖2 液壓螺母拉伸系統(tǒng)示意圖

2.1 液壓拉伸螺母

液壓拉伸螺母是與反應(yīng)堆壓力容器螺栓配合的一種液壓拉伸的設(shè)備，其由鎖緊環(huán)、上部液壓單元、下部液壓單元、上、下活塞、特制金屬密封環(huán)、液壓管嘴、球面墊圈、內(nèi)螺母組成，見圖1.

鎖緊環(huán)是軸對稱薄壁筒體結(jié)構(gòu)，與內(nèi)螺母外部采用偏鋸齒形螺紋嚙合，螺紋牙嚙合角度是7°，這種結(jié)構(gòu)形式相對于常規(guī)60°鋸齒形的螺紋來講，更適用于承載沿軸向方向的單向高應(yīng)力，而降低鎖緊環(huán)上的周向應(yīng)力，以產(chǎn)生更好的液壓載荷保持效果。

液壓螺母的液壓元件主要分為上、下部。每一部分液壓元件又由外部的液壓缸體、內(nèi)部的液壓活塞組成。液壓缸體和液壓活塞之間是用特制金屬密封環(huán)來進(jìn)行密封的。此外，對于液壓元件之間保證密封的特制金屬密封環(huán)，是特別研制的金屬密封環(huán)，其密封可靠性可以長達(dá)200次燃料循環(huán)。

2.2 雙環(huán)路液壓控制系統(tǒng)

圖2中雙環(huán)路液壓控制系統(tǒng)由兩個(gè)控制單元組成，每個(gè)控制單元包含儲(chǔ)油箱、若干級(jí)液壓泵，控制閥、節(jié)流閥、電控儀表和操作面板等構(gòu)件，可以通過單人實(shí)現(xiàn)液壓工作介質(zhì)的精確控制。其操作面板上的控制按鈕簡潔，儀表顯示精煉，操作方便，在經(jīng)過簡單培訓(xùn)后，就可實(shí)現(xiàn)液壓拉伸系統(tǒng)的控制操作，相比于整體螺栓拉伸機(jī)（MSTM）的操作控制平臺(tái)，在操作上手和控制上有一定的優(yōu)勢。

環(huán)路液壓控制系統(tǒng)為雙環(huán)路液壓系統(tǒng)，每一環(huán)路管控1/2數(shù)量液壓螺母，兩環(huán)路之間通過閥門并聯(lián)在一起，每一環(huán)路控制的螺母呈間隔分布，如圖2中深、淺灰兩色交替，即代表每一環(huán)路控制的液壓螺母的分布。這樣布置的目的是：采用雙單元配置，可降低對單臺(tái)液壓泵出力的限值要求，分擔(dān)整體液壓載荷；其次，雙單元間隔控制，可以實(shí)現(xiàn)拉伸螺母的分組、分片均勻拉伸，確保在整體拉伸下，即使個(gè)別螺栓不能滿足拉伸設(shè)計(jì)要求的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)靈活的個(gè)性拉伸來調(diào)整到設(shè)計(jì)要求值；雙環(huán)路并聯(lián)設(shè)計(jì)，可以保證在各環(huán)路液壓拉伸力的均勻性，確保所有主螺栓均勻拉伸，從而提高拉伸精度。

2.3 高壓連接軟管

圖2中液壓螺母拉伸系統(tǒng)中高壓連接管線，采用的是國際上超高壓液壓控制系統(tǒng)中廣泛采用且有成熟工程經(jīng)驗(yàn)的軟管和接頭，可以承受達(dá)幾十到幾百兆帕的壓力，目前在核電廠液壓拉伸機(jī)系統(tǒng)中已得到廣泛使用，其可靠性和安全性高，快速接頭的裝拆操作方便。

3 RPV螺栓預(yù)緊應(yīng)用及操作效率

螺栓拉伸機(jī)的拉伸精度、操作便捷性和拉伸效率是體現(xiàn)拉伸設(shè)備的重要指標(biāo)，其對核電廠現(xiàn)場安裝、調(diào)試、運(yùn)行中的開、關(guān)大蓋操作、人員素質(zhì)要求、劑量控制、工程進(jìn)度等都有著重要的影響。

3.1 RPV螺栓預(yù)緊操作

在役期間應(yīng)用液壓螺母拉伸系統(tǒng)拉伸RPV螺栓如圖3所示。

圖3 在役期間應(yīng)用液壓螺母拉伸系統(tǒng)拉伸RPV螺栓

以美國某核電廠反應(yīng)堆壓力容器螺栓預(yù)緊為例來說明液壓螺栓拉伸技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用情況。

反應(yīng)堆堆坑內(nèi)采用液壓螺母系統(tǒng)對RPV螺栓進(jìn)行拉伸操作時(shí)，首先要利用螺栓裝載工具將所有螺栓一一安裝到容器法蘭螺孔中，螺栓裝載工具主要由重量平衡器、螺栓頭連接控制活塞、氣壓驅(qū)動(dòng)器、螺栓頭連接器、支撐臂五部分組成。其上端有吊環(huán)，可以與吊車連接。通過吊車和裝載工具轉(zhuǎn)移螺栓到RPV螺孔位置，通過氣動(dòng)旋擰工具實(shí)現(xiàn)螺栓在螺孔中旋入。

螺栓在旋入時(shí)，裝載工具可平衡RPV螺栓重量達(dá)363 kg，確保螺栓螺紋與螺孔螺紋在旋入嚙合時(shí)的接觸重量為0 kg，旋轉(zhuǎn)最大速度可達(dá)145 rpm，最大扭矩被限制在176 N·m.

液壓拉伸螺母系統(tǒng)的操作步驟：

（1）采用螺栓裝載工具，用氣動(dòng)方式將RPV所有主螺栓種入容器法蘭螺孔中；

（2）安裝液壓拉伸螺母。其球面墊圈、下部液壓元件、上部液壓元件均是操作人員手動(dòng)安裝，鎖緊環(huán)和主螺母是通過專用氣動(dòng)工具進(jìn)行安裝；

（3）螺栓初始參考長度測量；

（4）按照布置要求，正確安裝高壓連接軟管。在此之前，雙環(huán)路液壓控制單元均已經(jīng)吊入堆坑。安裝高壓連接軟管時(shí)，須按照系統(tǒng)要求，分紅、藍(lán)兩色正確與液壓拉伸螺母連接，確保每一環(huán)路中的液體可以正確的流過每個(gè)拉伸螺母，與液壓系統(tǒng)構(gòu)成串聯(lián)環(huán)路；

（5）使用液壓拉伸螺母的下壓工具閉合頂蓋。使用下壓工具的目的是首先閉合頂蓋，克服初始的彈性變形。在正式拉伸時(shí)，下壓工具將會(huì)拆除；

（6）58個(gè)液壓拉伸螺母整體拉伸和鎖緊。液壓拉伸螺母可實(shí)現(xiàn)所有螺栓的整體拉伸到設(shè)計(jì)要求值，也可以對單個(gè)螺栓進(jìn)行調(diào)整拉伸。拉伸精度為±0.05 mm；

（7）螺栓伸長測量。螺栓殘余拉伸量可通過數(shù)顯儀表直觀的讀出；

(8)對拉伸值不符合設(shè)計(jì)要求的螺栓進(jìn)行調(diào)整拉伸；調(diào)整拉伸時(shí)，可以通過旁路已拉伸好的螺栓，來僅僅對未拉伸好的主螺栓進(jìn)行單獨(dú)拉伸；

（9）拆除高壓連接軟管；

（10）堆坑拉伸區(qū)域清理，吊出液壓控制單元、管件及相關(guān)設(shè)備。

3.2 操作效率

根據(jù)美國某核電廠反應(yīng)堆壓力容器58顆螺栓的拉伸記錄顯示，除去上述第1步螺栓種入時(shí)間，從第2到第10步，總共花費(fèi)的時(shí)間約為2.5 h，而其中用于拉伸的時(shí)間僅有77 min.

關(guān)于液壓螺母拉伸技術(shù)與整體螺栓拉伸（MSTM）技術(shù)[4]、分體螺栓拉伸（SSTM）技術(shù)[5-6]之間拉伸操作性比較見表1.

表1 液壓螺母拉伸與整體、分體螺栓拉伸系統(tǒng)操作效率比較

從表1可以看出，液壓螺母在RPV螺栓拉伸方面的能力和效率已經(jīng)可以和整體螺栓拉伸機(jī)相媲美，優(yōu)于單體拉伸機(jī)。但是，在采用液壓螺母拉伸前，螺栓旋入是采用專用工具一對一的進(jìn)行旋入，這一前期準(zhǔn)備時(shí)間會(huì)影響整個(gè)開、扣蓋的總時(shí)間，與MSTM的兩對機(jī)器人自動(dòng)旋擰相比，自動(dòng)化低、效率差一些，還仍有一定的改進(jìn)空間。

從目前獲得的信息，液壓螺母拉伸技術(shù)，西屋公司已經(jīng)對其進(jìn)行了完整的研究，且已通過了美國NRC的審查，美國國內(nèi)即將在建的6臺(tái)AP1000電站上RPV螺栓預(yù)緊和拆卸均將使用液壓螺母拉伸技術(shù)。

4 運(yùn)行和維護(hù)

反應(yīng)堆壓力容器螺栓在拉伸到預(yù)定伸長量后，液壓拉伸螺母并不需要拆除，而是隨著反應(yīng)堆一起運(yùn)行，這就涉及到該設(shè)備在運(yùn)行中的可靠性和維護(hù)問題。

液壓拉伸螺母設(shè)備符合ASME SectionⅢclass 1級(jí)設(shè)備設(shè)計(jì)要求，抗震分析不影響現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu)。液壓螺母制造和交貨均是按照ASME SectionⅢclass 1設(shè)備和相關(guān)的QA程序執(zhí)行的。因此，應(yīng)用在核電廠RPV上的液壓螺母設(shè)備可以確保其在運(yùn)行中的各種工況下的安全要求。

此外，在運(yùn)行中，由于液壓螺母拉伸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)整體拉伸，操作效率高，其會(huì)降低運(yùn)行人員在操作中接受的輻照劑量，縮短RPV開、關(guān)蓋的時(shí)間，節(jié)約停機(jī)時(shí)間成本。而且，液壓螺母拉伸系統(tǒng)在運(yùn)行中的維護(hù)較少：雙環(huán)路液壓系統(tǒng)、高壓軟管、接插頭需要定期進(jìn)行功能維護(hù)和標(biāo)定；液壓螺母需要定期對鎖緊環(huán)、內(nèi)螺母、上/下液壓元件、密封環(huán)、球面墊圈進(jìn)行目視檢查和組裝后的密封試驗(yàn)驗(yàn)證；金屬密封環(huán)的使用壽命很長，不需要頻繁更換。

因此，液壓螺母拉伸技術(shù)在在役運(yùn)行維護(hù)期間的成本較少，節(jié)約了維修時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。而且，液壓螺母拉伸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，減少了堆內(nèi)重型工具的吊運(yùn)和貯存空間，提高了操作安全性。其設(shè)備成本也較低，2～4個(gè)燃料循環(huán)后基本就可收回投資。

5 結(jié)束語

液壓螺母拉伸技術(shù)是西屋公司基于現(xiàn)有拉伸設(shè)備優(yōu)化改進(jìn)的一種先進(jìn)的螺栓拉伸系統(tǒng)，但在國內(nèi)各核電廠中還沒有應(yīng)用此系統(tǒng)對RPV螺栓進(jìn)行預(yù)緊的工程經(jīng)驗(yàn)。相對于目前國內(nèi)RCC-M體系、ASME體系正在使用的反應(yīng)堆壓力容器整體螺栓拉伸機(jī)（MSTM）或單體螺栓拉伸機(jī)（SSTM）技術(shù)，液壓螺母拉伸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。其不僅具有MSTM的整體螺栓拉伸能力，也可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)或若干個(gè)螺栓的個(gè)性拉伸；

（2）拉伸效率較高，其拉伸效率可以達(dá)到MSTM拉伸機(jī)的效率，優(yōu)于單體拉伸機(jī)；

（3）運(yùn)行中維護(hù)少，僅需定期對鎖緊環(huán)、主螺母、上/下液壓元件、密封環(huán)、球面墊圈進(jìn)行目視檢查和組裝后的密封試驗(yàn)即可，金屬密封環(huán)不用頻繁更換；

（4）減少了堆內(nèi)重型工具的移動(dòng)和搬運(yùn)操作，提高了安全性，且其設(shè)備成本較低。

此外，液壓螺母拉伸系統(tǒng)若在國內(nèi)進(jìn)行實(shí)施，其中還有一些需要改進(jìn)和優(yōu)化的方面：

（1）螺栓旋入采用的專用工具需要改進(jìn)，以進(jìn)一步提高螺栓旋入螺孔的效率；

（2）應(yīng)用于目前國內(nèi)已成熟的二代、二代半反應(yīng)堆壓力容器螺栓預(yù)緊時(shí)，主螺母、球面墊圈等部件需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)液壓螺母拉伸技術(shù)和評(píng)估壽期內(nèi)液壓螺母的結(jié)構(gòu)完整性。

[1]李桂莉，張嘉桐，張健飛.螺栓荷載不均勻?qū)Ψㄌm密封的影響程度[J].石油和化工設(shè)備，2013（2）:39-40.

[2]褚福國，隋炳利，黃海英.核反應(yīng)堆壓力容器螺栓拉伸機(jī)設(shè)計(jì)初探[J].一重技術(shù)，2001，（3）:38-40.

[3]崔遜波，陳卓，劉石橋.整體螺栓拉伸機(jī)在反應(yīng)堆壓力容器密封作業(yè)中的使用控制[J].壓力容器，2014，（10）:69-74.

[4]彭克平，陳博.淺談方家山壓力容器主螺栓機(jī)操作[J].工程技術(shù)，2012，（5）：53-54.

[5]蔣嚴(yán)軍.核電廠反應(yīng)堆壓力容器頂蓋開關(guān)的過程控制[J].中國核電，2013，（2）:148-152.

[6]胡大芬，劉剛，王春發(fā).CPR1000反應(yīng)堆壓力容器主螺栓預(yù)緊過程分析[J].壓力容器，2015，（11）:6-11.

The Preload Application of Hydraulic-Nut Tensioning Technique in Reactor Pressure Vessel of Nuclear Power Plant

LI Xue-yue
（China Energy Construction Group Northeast Electric Power First Engineering Co.，Ltd. Shenzhen Guangdong 518000，China）

The stud accurate tensioning of reactor pressure vessel （RPV）in the installation and operation phase of nuclear power plant is an important prerequisite to ensure the equipment seals. This paper introduces a new hydraulic-nut tensioning technique for RPV stud preload，and presents briefly the technical characteristics and application of this technology respectively from operation principle，system compositions，preload application，work efficiency and maintenance aspects. Besides，by comparing with the existing muliti -stud tensioning and single-stud tensioning techniques，it lists the advantages and limitations of this technology，and providing a new option for the stud preload operation of domestic RPV equipment，and also as the important reference for the progress of domestic large-diameter stud tightening techniques.

hydraulic-nut tensioning；reactor pressure vessel；stud；tensioning

T H6

A

1672-545X（2016）09-0154-04

2016-06-10

李學(xué)躍（1960-），男，遼寧撫順人，大專，高級(jí)工程師，從事核電機(jī)械設(shè)備安裝、調(diào)試、在役維護(hù)及其管理等工作。