AP1000核電站蒸汽發生器上部支承耳板螺栓卡澀問題分析

史科，顧縐宙，吳志遠

（國核工程有限公司，上海 200233）

核電站蒸汽發生器（Steam Generator, SG）是將反應堆的熱能傳遞給二回路介質以產生蒸汽的熱交換設備。第3代AP1000核電技術采用2臺典型的直立式帶有一體化汽水分離器的U形管自然循環的蒸汽發生器，其下部直接連接了兩臺反應堆冷卻劑泵，SG與反應堆冷卻劑泵的組合體重量由SG下部球型封頭的單柱支承件承受，在SG上部有兩組互為90°布置的共4個輔助支承，下部有一個側向支承，其結構布置如圖1。

SG上部側向支承（件5）由耳板、阻尼器、托架組成（圖2）。每一塊耳板通過16個螺栓與SG耳軸連接。

圖1 AP1000蒸汽發生器支承結構布置

圖2 SG上部側向支承

1 螺栓卡澀情況

施工方（CNF）用無紡布清理完某核電項目SG A耳軸螺紋孔后，未對螺紋孔進行進一步清理，開始蒸汽發生器A（SG A）上部支承耳板的安裝工作。在安裝16個耳板螺栓時，施工方發現部分螺栓無法旋轉到底。SG A南北兩側的上部支承耳板螺栓的16個螺栓中分別有10個螺栓無法旋轉到底，螺栓剩余約3～48mm無法擰入。于是現場決定將螺栓取出，進行螺栓及螺紋孔檢查。施工方使用棘輪把手拆除螺栓，SG A南側拆除6顆螺栓，剩余8顆螺栓未能取出，北側拆除16個，剩余3顆螺栓未取出。卡澀螺栓分布情況分別見圖3、4。

圖3 SG A南側耳板及卡澀螺栓分布圖

圖4 SG A北側耳板及卡澀螺栓分布圖

為查明螺栓卡澀的原因，現場分別用螺栓和內螺紋廠家提供的通止規對螺栓和內螺紋進行了復查，發現兩者均通過廠家提供的通止規要求，且兩個通止規均在標定期內。通止規見圖5、6。隨后用分別通過通止規驗證的SG B耳軸內螺紋及安裝螺栓再次進行試裝，當旋入一定深度后，阻力突然增大，存在再次卡澀風險，于是及時退出。

2 螺栓卡澀原因及分析

螺栓卡澀問題產生后，從螺栓及螺紋孔檢測、螺栓及螺紋孔加工工藝、螺栓及螺紋孔清潔等方面分析了螺栓卡澀的原因，并提出了相應的改進方法。

圖5 螺栓通止規1.750-8UN-2A

圖6 螺紋通止規 1.750-8UN-2B

2.1 螺栓及螺紋孔未進行全旋合長度檢測

SG上部支承耳板螺栓廠家及SG耳軸內螺栓廠家對超長旋合長度的螺紋檢查缺少經驗，僅用標準通止規對螺紋進行了檢查，未按照標準要求采用與旋合長度相等的特殊通規檢查。

SG上部支承耳板螺栓規格尺寸為1.750-8UN-2A×8.63，SG耳軸螺紋孔尺寸要求為1.750-8UN-2B×5.2（最小深度），耳板光孔深度為111.1±0.5mm,因此，可計算得出耳板螺栓旋入SG耳軸內螺紋的最小深度8.63×25.4-111.1±0.5=108.1±0.5mm。108.1mm長的旋合長度是公稱直徑D 1.750的2.43倍。而通常標準通止規檢查僅適用于旋合長度≤1.5倍的公稱直徑。根據ASME B1.1第5.3章節當設計上旋合長度有特殊要求時，如超過標準旋合長度公稱直徑的1.5倍時，需要用與旋合長度相等長度/厚度的螺紋通規進行檢查。因為影響螺紋匹配的螺紋功能直徑，除與中徑偏差、牙型偏差有關外，還與螺紋旋合長度有關，主要體現在螺紋螺距和導程偏差對功能直徑的影響。

（1）螺距誤差的影響。螺距誤差包括螺距局部誤差和螺距累積誤差，而后者與旋合長度有關。旋合長度越長，螺距累積誤差越大，如圖7，隨著旋合長度的增加，螺距累積誤差越大，最終在陰影部分發生了干涉。

圖7 螺距累積誤差的影響

（2）導程偏差的影響。螺紋導程偏差的影響即為螺紋軸線的直線度影響，旋合長度越長，螺紋軸線的直線度誤差越大，故對旋合性的影響也就越大。因此，螺栓及內螺紋廠家提供的標準通止規僅對局部長度的螺紋進行了檢查（該標準通規檢查范圍為2的長度范圍內的螺紋，實際旋合長度為≥5.2），沒有對螺孔/螺栓全長的螺紋檢查，無法發現螺紋在全長范圍內由累積螺距偏差和螺紋軸線偏差帶來的影響，這是螺栓發生卡澀的直接原因。

2.2 內螺紋一次攻鉆產生的問題

經調查，SG耳軸內螺紋廠家在鉆內螺紋時，采用絲錐一次攻鉆到底，而未進行多次攻鉆和回鉆，導致實際內螺紋由于加工擠壓應力發生變化，惡化了螺栓的匹配性。盡管專用絲錐的刀具精度較高，螺距誤差和軸線誤差的較小，但絲錐通過擠壓切削的方式加工內螺紋，加工過程中擠壓應力較大，尤其當內螺紋一次攻鉆成型時，螺孔內壁積累的擠壓應力較大，當絲錐撤出后，螺孔會釋放擠壓應力發生形變，導致實際螺紋存在牙型偏差或螺紋內徑公差偏小，降低了長旋合螺紋既有的安裝裕量，最終導致螺栓安裝時發生卡澀。

2.3 清潔問題

現場施工部在安裝該螺栓前，對螺紋孔用無紡布進行了擦洗，導致細微的無紡布纖維殘留在內螺紋中，這也是螺栓安裝時發生卡澀的原因之一。

3 改進措施

3.1 改進螺紋的檢測方式

針對旋合長度超過公稱直徑1.5倍的螺紋，內外螺紋制造廠家需要根據實際的旋合長度要求設計制作與旋合長度等長的螺紋通規對螺紋進行逐個檢查，如發現存在卡澀風險，需用加工工具進行精修，控制螺紋的加工公差。

3.2 提高螺紋的加工質量

針對類似的長旋合螺紋，內外螺紋制造廠應選擇合理的加工工藝，提供螺紋的加工精度，減少加工后的螺紋擠壓形變。如銑削內螺紋時，應避免加工刀桿剛性差導致的偏差，如加工刀桿的微量變形，加工振動和刀片磨損。銑削或絲錐加工螺紋時選擇合理的冷卻液，避免加工刀具在加工過程中發生熱變形，在加工結束后通過精修或絲錐反復回攻的方式，最終確保螺紋通過4.1通規的檢測。本案例中，在現場取出SG支承耳板卡澀螺栓后，用絲錐對SG耳軸內螺紋進行了多次回鉆以修正和是否擠壓應力形變，確保替換的新螺栓不發生卡澀。

3.3 選擇合理的螺栓/螺紋加工公差

在某些情況下，要求旋合長度大于標準旋合長度時，為保證正確裝配，可根據ASME B1.1統一英制螺紋第5.3.1（b）&(c)，對螺紋孔或螺栓中徑的公差進行修正的方法給予解決。下面就以標準螺紋孔對螺栓增加裕量的方法進行說明。SG上部支承耳板螺栓規格尺寸為1.750-8UN-2A×8.63。LE（旋合長度）=4in(2.3倍直徑)；用標準內螺紋裝配。附加裕量等于0.5TD2（標準旋合長度的中徑公差），查表得到0.5TD2為0.00375，故修整后的螺紋編號為1.746-8UNS-2A。對應的中徑公差由1.6665～1.6590修整為 1.6628～1.6553。

3.4 螺紋的清洗

螺栓安裝前應徹底清理螺栓螺紋毛刺，清理內螺紋毛刺時應采用對應加工的絲錐再次攻鉆螺紋的方式清理掉螺紋毛刺，并建議用壓縮空氣進行清洗，避免其他異物留存在內螺紋中。