反應(yīng)堆壓力容器主螺栓孔拋光機改進(jìn)研究

董岱林，杜 華，殷 琪，張 弦，王 坤

(中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041)

反應(yīng)堆壓力容器是反應(yīng)堆一回路的關(guān)鍵設(shè)備之一，壓力容器上的主螺栓孔又是保證一回路壓力邊界的關(guān)鍵點之一[1]。在反應(yīng)堆裝堆過程中，會往主螺栓孔內(nèi)加注潤滑劑與防咬合劑。在反應(yīng)堆長期高溫運行過程中，主螺栓孔內(nèi)易形成不規(guī)則的燒結(jié)物附著在主螺栓孔的內(nèi)表面。每次裝堆前均需要對主螺栓孔進(jìn)行拋光，以獲得良好的螺紋孔表面狀態(tài)，為反應(yīng)堆的復(fù)裝提供必要的前提條件[2-3]，而反應(yīng)堆壓力容器主螺栓孔拋光機(以下簡稱拋光機)正是為完成這一任務(wù)而設(shè)計的專用設(shè)備[4]。

原有舊型拋光機在安裝以及使用過程中存在安裝困難，以及旋轉(zhuǎn)電機容易過熱燒毀的問題，因此有必要對舊型拋光機進(jìn)行改進(jìn)研究。

1 拋光機結(jié)構(gòu)

如圖1所示，電控盒具有如下功能：手動運行模式，自動運行模式，狀態(tài)監(jiān)測及顯示，并可對拋光機進(jìn)行邏輯控制。電控盒內(nèi)的控制器采用雙面印刷電路板。

上接近開關(guān)和下接近開關(guān)限定了刷具組件的運行范圍；上固定筒和下固定筒是拋光機的外殼，其作為物理支撐來固定其他零部件；定位筒安裝在壓力容器主螺栓孔上部光孔段(主螺栓孔下部是螺紋段)上，使得拋光機與主螺栓孔正確定位；刷具組件上有兩個刷具，材料為帶磨料的尼龍，由旋轉(zhuǎn)電機帶動旋轉(zhuǎn)；升降電機、升降傳動組件、螺紋筒組件和升級螺母相互配合，帶動升降筒作升降運動，從而帶動旋轉(zhuǎn)電機和刷具組件上下運動。刷具組件一邊作升降運動，一邊作旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)對主螺栓孔拋光。

圖1 拋光機結(jié)構(gòu)圖

2 問題分析

2.1 存在的問題

1)拋光機就位較困難，具體表現(xiàn)為：拋光刷具在主螺栓孔的上部光孔段時就位比較容易，一旦進(jìn)入到主螺栓孔的下部螺紋段，就很難往下插入。若打開旋轉(zhuǎn)電機，刷具旋轉(zhuǎn)起來后，則會較為順利地進(jìn)入螺紋段部分。但打開旋轉(zhuǎn)電機安裝使得安裝難度增大，操作極為不便。

2)當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機拋光完一個主螺栓孔或每工作10 min時，必須停止工作5 min以上，否則電機易過熱燒毀。

2.2 原因分析

1)對于拋光機就位困難這一問題，經(jīng)分析是由于刷具組件的刷毛與螺紋孔壁的接觸力過大，導(dǎo)致拋光機就位時摩擦阻力過大。由經(jīng)典力學(xué)可得摩擦力公式如下：

F=μN

(1)

式中：F為刷具組件與主螺栓孔間的摩擦力；N為二者間的正壓力；μ為摩擦系數(shù)。主螺栓孔的材料為16MND5，粗糙度為1.6 μm，刷具組件中刷毛的材料為帶磨料的尼龍，上述條件確定的情況下，μ值是確定的，因此只能從正壓力N尋求解決方法。經(jīng)對影響正壓力N的因素分析發(fā)現(xiàn)，正壓力N與主螺栓孔和刷具組件刷毛的接觸過盈量相關(guān)，而接觸過盈量由刷具組件的制造累積誤差產(chǎn)生，計算公式為：

Δ=Δ1+Δ2+Δ3

(2)

式中：Δ為累積誤差；Δ1為刷具組件刷毛長度誤差；Δ2為零件的加工誤差；Δ3為裝配誤差。

①刷具組件刷毛長度誤差Δ1。隨機選取15組刷具組件刷毛進(jìn)行測量，其最大絕對誤差為3.5 mm，最小絕對誤差為0.9 mm。

②零件的加工誤差Δ2。除了刷具組件的刷毛為非金屬件外，其他的零件均為金屬零件，因此其誤差取決于零件的上下偏差，所有零件的尺寸均小于300 mm，公差等級選用IT7，則絕對公差值均在0.052 mm以內(nèi)。

③裝配誤差Δ3。刷具組件在安裝過程中不可避免存在誤差[5]。當(dāng)刷具組件靠近主螺栓孔壁時，正壓力增大；反之正壓力減小。裝配誤差主要是零部件之間的預(yù)留間隙，對于刷具組件，設(shè)計預(yù)留間隙不大于0.1 mm。

由此可見，刷具組件刷毛的長度誤差Δ1為主要誤差，零件的加工誤差Δ2影響最小，取各個誤差的絕對值，可得累積誤差為：

Δ=Δ1+Δ2+Δ3=3.652(mm)

(3)

當(dāng)累積誤差Δ使主螺栓孔和刷具組件刷毛的接觸過盈量增加時，則刷具組件與主螺栓孔之間的正壓力增加，造成了拋光機就位困難；反之則正壓力減小，就位容易，但刷具組件與主螺栓孔之間的正壓力不得過小，否則拋光效果不佳，達(dá)不到預(yù)期拋光效果。

2)對于旋轉(zhuǎn)電機容易過熱燒毀這一問題，分析旋轉(zhuǎn)電機附近的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)電機處在一個相對封閉的空間，在下固定筒上開有2個排氣孔，孔徑為8 mm。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機位于上極限位置時，距離排氣孔200 mm；當(dāng)位于下極限位置時，距離排氣孔450 mm。排氣孔與旋轉(zhuǎn)電機之間的距離較遠(yuǎn)，通過空氣自然對流很難將熱量帶走。如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)電機周圍結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)電機易過熱燒毀的另一原因是，當(dāng)刷具組件的制造誤差較大時，可能會導(dǎo)致其與主螺栓孔之間的摩擦力大于設(shè)計值，造成旋轉(zhuǎn)電機負(fù)荷過大從而燒毀。

3 優(yōu)化改進(jìn)

3.1 對刷具的優(yōu)化

為消除刷具組件和主螺栓孔之間不確定性的正壓力N帶來的不利影響，在刷具組件和傳動軸之間設(shè)計一橡膠彈簧。當(dāng)正壓力N過大時，刷具組件反饋到橡膠彈簧上的力促使橡膠彈簧產(chǎn)生形變，刷具組件產(chǎn)生微小位移，從而使得刷具組件和主螺栓孔之間的正壓力N減小。但同時又需保證合理的正壓力N以獲得理想的拋光效果，因為正壓力N過小拋光效果不佳。

對于刷具組件與主螺栓孔之間所需合理的正壓力N，通過實驗可知，N值大于8 N時，螺栓孔容易被拋光干凈。若N值過大，易造成旋轉(zhuǎn)電機堵轉(zhuǎn)，且有可能過度拋光導(dǎo)致螺紋孔表面的磷化層脫落。實驗測得N值不得大于18 N，因此N值應(yīng)介于8～18 N。

由2.2節(jié)可知，刷具組件的最大絕對誤差Δ為3.652 mm，若橡膠彈簧能夠?qū)⒋苏`差范圍(±3.652 mm)涵蓋，且在該變形量內(nèi)，保證刷具組件與主螺栓孔之間的正壓力N位于8～18 N，即可滿足要求。利用式(4)對橡膠彈簧進(jìn)行設(shè)計：

(4)

式中：σ為應(yīng)力；E為彈性模量；ε為應(yīng)變；P為受到的載荷；S為承載面積；f為變形量；k為橡膠彈簧的總高度[6]。

當(dāng)選用彈性模量E=0.15 MPa的彈性材料時，可設(shè)計外徑約35 mm、高度約20 mm的圓柱形橡膠彈簧。當(dāng)累積誤差Δ達(dá)到極值使得刷具組件遠(yuǎn)離主螺栓孔壁3.652 mm時，正壓力N值為8.12 N；反之當(dāng)累積誤差達(dá)到極值使得刷具組件靠近主螺栓孔壁3.652 mm時，刷具組件與主螺栓孔之間的正壓力為17.89 N，滿足實驗要求。

刷具組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖3所示。橡膠彈簧位于刷具和傳動軸之間，底擋板對刷具進(jìn)行軸向固定，固定銷將傳動軸的動力傳遞給刷具。刷具上與固定銷相配的圓孔孔徑比固定銷直徑大，使得刷具具有一定的水平自由度，保證刷具組件可在±3.652 mm的偏移值內(nèi)移動。

圖3 刷具組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

3.2 對電機散熱的優(yōu)化

為防止旋轉(zhuǎn)電機過熱燒毀，設(shè)計一強制對流系統(tǒng)，從而將相對封閉空間內(nèi)的熱量及時排出[7]。在升降筒的下部增設(shè)若干對流孔，利用負(fù)壓風(fēng)機使對流孔與上部排氣孔形成散熱流場，將旋轉(zhuǎn)電機包裹其中。對流熱交換公式為：

Q=hA(T1-T2)

(5)

式中：Q為面積A上的傳熱功率；h為表面對流傳熱系數(shù)；A為熱交換面積；T1為固體表面溫度；T2為流體表面溫度。

旋轉(zhuǎn)電機的絕緣等級為E級，工作溫度不超過75 ℃(T1)，拋光機工作時的環(huán)境溫度不超過35 ℃(T2)。在拋光機結(jié)構(gòu)形式以及工作環(huán)境確定的情況下，表面對流傳熱系數(shù)與流體的速度相關(guān)[8]，因負(fù)壓風(fēng)機功率及抽吸管道內(nèi)徑為定值，所以可將對流傳熱系數(shù)h視為恒定值。經(jīng)以上分析，當(dāng)對流傳熱系數(shù)h以及T1和T2確定時，要使傳熱功率Q增大，只能增加熱交換面積A，即盡可能增大空氣流場與旋轉(zhuǎn)電機的接觸面積。

如圖4所示，在升降筒下部設(shè)計一些對流孔，對流孔在周向上均勻布置。在下固定筒的上部設(shè)計排氣孔，用氣管將排氣孔和負(fù)壓風(fēng)機相連。負(fù)壓風(fēng)機運行時，在下固定筒和升降筒之間形成一包絡(luò)電機的散熱流場。

圖4 旋轉(zhuǎn)電機散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

利用CFD(計算流體力學(xué))對流場進(jìn)行建模分析。邊界條件為：將空氣視為牛頓流體，將流場空間的邊界視為絕熱材料，入口風(fēng)速為6 m/s，出口壓力為大氣壓力，溫度為293.2 K。對不同的開孔位置做仿真分析。

1)舊型拋光機只在下固定筒的上部開有兩個排氣孔，無主動對流功能?，F(xiàn)假設(shè)其具有主動對流功能，一孔進(jìn)空氣，一孔出空氣。其流動跡線如圖5(a)所示。

2)若下固定筒的上部開1個排氣孔，升降筒下部開2個對流孔，2個對流孔在排氣孔的兩側(cè)對稱布置。其流動跡線如圖5(b)所示。

3)若下固定筒的上部開1個排氣孔，升降筒下部開2個對流孔，2個對流孔和排氣孔在同一豎直平面內(nèi)。其流動跡線如圖5(c)所示。

4)若下固定筒的上部開1個排氣孔，升降筒下部開4個對流孔，4個對流孔中有兩個對稱的對流孔和排氣孔在同一豎直平面內(nèi)。其流動跡線如圖5(d)所示。

5)若下固定筒的上部開1個排氣孔，升降筒下部開8個對流孔，8個對流孔中有兩個對稱的對流孔和排氣孔在同一豎直平面內(nèi)。其流動跡線如圖5(e)所示。

圖5 CFD分析跡線圖

通過跡線圖可以發(fā)現(xiàn)，即使在優(yōu)化前的拋光機上增加主動對流功能，對流空氣亦很難流經(jīng)電機表面，空氣在上部區(qū)域打轉(zhuǎn)，散熱效率低。當(dāng)上部開一個排氣孔，隨著下部對流孔的數(shù)量增加，對流空氣流經(jīng)電機表面更加均勻，覆蓋電機的表面積也越大，且空氣流通更加順暢(不打轉(zhuǎn))。

本文采取了圖5(e)方案進(jìn)行了優(yōu)化，實踐證明拋光機可連續(xù)穩(wěn)定工作3 h以上。

4 結(jié)束語

優(yōu)化后的拋光機已成功應(yīng)用于核電站反應(yīng)堆壓力容器主螺栓孔的拋光。安裝就位方便，無卡阻現(xiàn)象，拋光效果好,連續(xù)作業(yè)3 h情況下旋轉(zhuǎn)電機無過熱燒毀現(xiàn)象。對其他類似情況，如接觸受力為不確定值且有一定范圍要求的問題，可考慮使用橡膠彈簧；如圓柱形且較為封閉空間的散熱問題，可使用強迫對流，將排氣孔和對流孔布置在封閉空間的兩端，對流孔盡可能多且均勻分布。