反應堆壓力容器主螺孔螺紋研磨修復工藝開發和應用

摘要：反應堆壓力容器作為核電廠核心設備，其法蘭主螺孔螺紋的損傷修復非常關鍵，任何細小缺陷都可能導致主螺栓植入或擰出時卡澀或咬死等嚴重后果。針對不同形式和嚴重程度的螺紋缺陷，需選擇合適的修復工藝，在確保螺紋修復質量和安全的前提下，實現反應堆主螺孔螺紋精細、高效的在線修復。某核電廠調試期間出現主螺孔螺紋區域性劃痕、毛刺等缺陷情況，鑒于傳統刮刀、油石等手工修復方法效率較低、效果不好，開發了一套主螺孔在線研磨修復裝置和工藝并得到成功應用，取得了較好效果，可為后續反應堆壓力容器主螺孔螺紋在線修復提供參考和借鑒。

關鍵詞：反應堆壓力容器;主螺孔;研磨;修復

0? ? 引言

壓水堆核電站反應堆壓力容器法蘭主螺栓和螺孔螺紋的配合非常精密。據國內外很多主螺栓或螺孔螺紋損傷的經驗反饋，任何細小的螺紋缺陷都有可能導致主螺栓植入或擰出時卡澀甚至咬死，進而可能造成主螺栓或螺孔螺紋嚴重損傷，并導致主螺栓報廢、鉆取或主螺孔擴孔、重新攻絲，嚴重影響換料大修關鍵路徑，對核電廠安全、可靠運行造成嚴重影響[1]。

相比主螺栓螺紋，主螺孔位于壓力容器本體上，其螺紋材質較軟。由于受主螺栓、螺孔螺紋配合及可能的異物引入等因素影響，在主螺栓旋擰過程中螺紋副摩擦可能產生損傷。主螺栓缺陷可以離線處理或直接更換，而主螺孔則只能在線修復。在反應堆壓力容器完成現場安裝之后，特別是在核電廠投運之后，反應堆壓力容器法蘭面區域具有較高的輻射劑量率，并需要滿足最高等級的防異物控制要求，因此核電廠在每次換料大修期間都要對主螺孔螺紋進行嚴格清洗和檢查，對發現的任何劃痕、毛刺和變形、凸起和坑點等缺陷均需進行精細處理和修復，盡可能改善螺紋配合狀況并防止螺紋卡澀和咬死。

1? ? 主螺孔缺陷情況

某三代壓水堆核電機組調試期間在主螺栓首次拆裝之后對主螺孔的視頻檢查發現，多個螺孔出現區域性劃痕、毛刺和拉毛情況，經分析認為是主螺栓孔在工廠車削加工過程中遺留的積屑瘤粘連在螺牙頂部或根部表面，在主螺栓旋擰配合和拉伸加載、卸載受力過程中剝落分離，形成細小金屬切屑、毛刺或顆粒異物，并在后續主螺栓旋擰配合中導致主螺孔螺紋表面形成區域性的劃痕、毛刺、拉毛等損傷情況。雖然除局部少量缺陷較為明顯外，整體損傷比較輕微，但考慮到這種區域性螺紋表面缺陷可能會導致后續螺紋配合情況惡化，認為有必要妥善處理[2]。

針對不同形式和嚴重程度的螺紋缺陷，需選擇合適的修復工藝或工藝組合。通常針對局部、少量的螺紋表面劃痕、毛刺、坑點、凸起、犁溝以及螺牙缺口、變形等缺陷，可采用刮刀、三角油石或精鋼什錦銼等工具進行手工修復，主要消除凸起、毛刺和尖銳表面并進行光滑過渡;針對較為嚴重的螺牙倒伏、凸起、變形或亂扣情況，則需采用專用絲錐或螺紋梳刀進行矯正處理，絲錐具有較強的切削功能，對螺紋變形凸出部分會產生較大的切削量，有一定風險，須謹慎使用。而對于當前這種區域性、普遍的細小螺紋缺陷或表面降質，采用傳統的油石等手工修復方法，工作效率較低且整體均勻性較差，而螺紋絲錐也明顯不適用。為此，需尋求一種更有效的主螺孔螺紋表面修復方案，最終借鑒機械設備密封面研磨修復原理開發了一套主螺孔螺紋研磨修復裝置和工藝，成功應用并取得了較好效果[3]。

2? ? 螺紋對研裝置設計

基于上述螺紋缺陷狀況及現場實際環境條件，開發設計了一套內螺紋在線對研修復裝置，借助裝卸料機輔鉤作為移動吊點，通過特制的外螺紋胎具與螺孔螺紋嚙合，并添加合適的研磨膏進行旋轉對研，實現對主螺孔螺紋細小的劃痕、毛刺、變形、凸起和坑點等缺陷以及螺紋表面銹斑等降質情況的研磨修復和光滑過渡處理。

如圖1所示，該裝置主要由對研螺紋胎具、旋轉操作手柄、回轉裝置和彈簧平衡器等部件組成。其中，對研螺紋胎具的外螺紋參照主螺栓螺紋規格（英制7-4UN-2A/2B）中徑尺寸按照主螺栓標準螺紋中徑偏大0.01 mm進行加工，胎具厚度取8扣螺紋左右，材料采用45#鋼并經調質硬化處理，硬度要求不應低于主螺孔螺紋。其中回轉裝置和彈簧平衡器選用市場標準產品，彈簧平衡器的彈力和行程選取應與對研裝置自重匹配，帶有平衡力指示，平衡對研裝置自重的同時也可以對螺紋胎具施加一定的提升力，以便實現對研螺紋胎具對主螺孔螺紋上、下表面的貼合研磨。

3? ? 研磨修復工藝方案和應用

針對大面積、普遍性的細小螺紋缺陷，如劃痕、毛刺、變形、小的凸起和坑點等缺陷，或螺紋表面存在頑固的銹斑和螺紋表面粗糙度降級等情況，以及經絲錐切削修復后的主螺孔，確定可采用在線研磨修復工藝，具體包括以下步驟：

步驟一：設計加工螺紋對研修復裝置。參考主螺孔螺紋標準尺寸，設計加工對研螺紋胎具，并利用通止規或主螺孔對加工的對研螺紋胎具進行檢驗，確認對研螺紋胎具的螺紋尺寸合適。

步驟二：螺紋研磨修復準備。根據缺陷情況，選取和準備合適類型和顆粒度的研磨膏，均勻涂抹在待修復的反應堆壓力容器法蘭主螺孔螺紋缺陷區，研磨膏應加入適量潤滑油調和，并視研磨效果由粗至細選用，推薦選用400～800目碳化硅研磨膏。借助裝卸料機的輔鉤作為移動吊點，將彈簧平衡器頂部掛在裝卸料機輔鉤上，并依次組裝連接回轉裝置、連接管和對研螺紋胎具。

步驟三：螺紋研磨修復實施。操作裝卸料機輔鉤在線研磨修復裝置與待修復的反應堆壓力容器法蘭主螺孔對中，適當調節裝卸料機輔鉤高度和彈簧平衡器平衡力，將對研螺紋胎具旋入反應堆壓力容器法蘭主螺孔螺紋缺陷位置進行反復旋轉對研：（1）依靠對研螺紋胎具自重使其與反應堆壓力容器法蘭主螺孔螺紋上表面貼合，實現對螺紋上表面的研磨修復;（2）通過調節裝卸料機輔鉤高度，利用彈簧平衡器施加一定提升力，使螺紋對研胎具與反應堆壓力容器法蘭主螺孔螺紋下表面貼合，實現對螺紋下表面的對研修復。對研過程中應注意檢查確認，防止夾渣對螺紋表面產生二次損傷，并根據實際操作手感和研磨效果適當添加潤滑油，由粗至細更換不同顆粒度的研磨膏，直至螺紋研磨修復合格。

步驟四：螺紋修復后檢查。清洗主螺孔，采用專用CCTV視頻檢查裝置或反光鏡，對修復后的主螺孔螺紋進行檢查，確認螺紋原有劃痕、毛刺、小的變形、凸起或坑點以及表面銹斑等缺陷已消除，光滑過渡、無凸起，并對修復后的螺孔采用經校驗的標準通止規進行最終檢測確認。

實踐表明，所開發的主螺孔螺紋研磨修復裝置和工藝可行，經過對研修復，主螺孔螺紋改善顯著，在后續植入時與主螺栓嚙合十分順暢，彌補了傳統使用油石、刮刀等手工修復以及絲錐修復工藝的不足，可高效修復主螺孔螺紋區域普遍性的劃痕、毛刺、變形、凸起、坑點以及頑固銹斑，修復更精細可控，能顯著改善螺紋表面質量及螺紋副配合狀況，有效防止主螺栓裝配時卡澀和咬死情況發生，同時可減少對維修人員的輻射劑量，且對手工技能要求相對較低。

4? ? 結語

針對反應堆壓力容器主螺孔螺紋表面缺陷修復處理，本文提出的主螺孔研磨修復裝置和工藝，切實可行，能實現主螺孔螺紋區域性細小缺陷的精細、高效處理，效果顯著，可為后續反應堆壓力容器主螺孔螺紋及類似大尺寸內螺紋的在線修復提供參考和借鑒。

[參考文獻]

[1] 周萬云，許洪朋，劉東杰，等.反應堆壓力容器主螺栓孔修復方案探討[J].壓力容器，2015（2）：75-80.

[2] 王仁科，張超，韓麗英.反應堆壓力容器主螺栓卡澀分析[J].核安全，2013（S1）：110-113.

[3] 鄭連綱，鄒鳴中，謝海.反應堆壓力容器螺孔及螺栓損傷評價技術[J].核動力工程，2015（5）：22-24.

收稿日期：2020-05-20

作者簡介：何行洲（1985—），男，湖北麻城人，工程師，研究方向：核電廠反應堆檢修。