反應堆壓力容器主螺栓螺母拆裝技術研究及應用

杜林寶，胡卉樺，冷慧玲，李彥賓

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢 430070）

0 引言

反應堆壓力容器（RPV）是反應堆一回路冷卻劑系統的重要承壓邊界，是整個核電站的核心設備[1]。主螺栓是連接RPV容器法蘭和頂蓋的重要部件，其在避免核放射性物質外逸、保障RPV 正常工作方面起著重要作用[2]，為了確保其處于良好的工作狀況，在換料與檢修的過程中需要對壓力容器的主螺栓進行正常拆卸[3]，需要把主螺母從主螺栓上拆除，對主螺栓和螺母進行清洗和檢查，清洗、檢查完成后再將主螺母預裝到主螺栓上。目前國內多數核電廠主螺栓螺母的拆裝主要都是手工拆裝，操作人員勞動強度大、效率低、占用的大修時間長。為了提高主螺栓螺母的拆裝效率、降低操作人員勞動強度、節省大修時間，研究了主螺栓螺母的拆裝技術，并得到了應用。

1 問題分析

1.1 現有方案介紹

反應堆壓力容器主螺栓和螺母從反應堆壓力容器上拆下后的狀態如圖1 和圖2 所示。主螺母和墊片之間通過螺釘和固定夾連接在一起，然后整體裝在主螺栓上。整個主螺栓螺母組件豎直或水平放在專用存放架上，然后通過人工手動或在螺母上纏繞吊帶，通過拉吊帶驅動螺母組件旋轉的方式將主螺母和墊片一起拆下來，然后將主螺栓螺母放在清洗機內進行清洗并對其進行檢查。主螺栓和主螺母清洗完成，經檢查主螺栓和主螺母滿足回裝條件后，通過人工手動的方式將主螺母組件回裝到主螺栓上。

圖1 主螺栓螺母

圖2 主螺母組件

1.2 現有方案不足分析

單個螺母組件約有30 kg，經過現場反饋及實際測試，通過人工手動的方式將主螺母組件從主螺栓上拆下或回裝到主螺栓上。2 人同時配合工作拆卸或回裝1 個螺母組件大約需要4 min。以國內百萬千瓦機組為例，每個機組有56 組主螺栓螺母，完全靠人工手動操作，工作量大，操作人員勞動強度很大，效率比較低，占用時間長，不利于縮短核電大修工期。

1.3 創新方案設想

針對主螺栓螺母在拆裝的過程中可能水平或豎直放置，開發1 套電動拆裝工具，利用該工具完成主螺栓螺母的拆卸和回裝，替代現有人工手動拆、裝主螺母組件的方式，降低操作人員勞動強度、提高效率。

2 現場工作條件及設計要求

2.1 螺栓螺母拆裝技術條件

（1）工作環境。-20 ℃～+50 ℃；環境濕度：100%；輻照水平：需要監測（必要時做好防護）。

（2）現場操作條件。電源：380 V/220 V，50 Hz；主螺栓存放狀態：豎直或水平放置在專用存放架上。

2.2 設計要求

主螺栓螺母拆裝要求拆裝工具結構簡單、布局合理，現場操作方便，能夠單人操作；拆裝效率高，完成1 個主螺母組件拆除或回裝的時間≤2min，取代傳統的通過在螺母上纏繞吊帶的方式拆裝螺母。

3 螺母拆裝工具設計

3.1 設計目標

（1）功能目標。主螺栓螺母拆裝工具能方便、可靠的安裝在螺母上；工具安裝后能夠可靠地定位；工具安裝、定位后能夠實現對主螺栓螺母的快速拆裝，單個螺母組件拆除或回裝時間≤2 min；螺母拆裝工具具有轉速調節功能；工具安裝、定位及工作的過程中不能損傷主螺栓螺母。

（2）性能目標。主螺栓螺母拆裝工具能夠拆或安裝單個目所需時間≤2 min；工具的重量≤10 kg，方便單人操作。

3.2 設計方案

主螺栓螺母拆裝工具能夠替代現場操作人員通過手或在螺母上纏繞吊帶通過拉吊帶的方式帶動螺母旋轉的方式拆裝螺母。主螺栓螺母拆裝工具主要由基座、轉動環、撥齒、齒輪箱、電動扳手、蓄電池和操作手柄等組成。主螺栓螺母拆裝工具結構如圖3 所示。

圖3 主螺栓螺母拆裝工具設計方案

工具總體結構為圓環形結構，工作中以電動扳手為螺母拆裝工具提供轉動力矩?；鶠閳A環形結構；基座內安裝有轉動環，轉動環的大小與主螺母的外部尺寸相匹配；轉動環上，安裝有3 個撥齒，3 個撥齒的分布接近均勻分布，但具體角度以主螺母外部齒輪結構上的輪齒分布為準；基座上設計有齒輪箱，電動扳手固定在齒輪箱上，齒輪箱將電動扳手輸出的扭矩傳遞給轉動環，帶動轉動環轉動。

電動扳手選擇最大輸出扭矩為14 N·m 的恒扭矩電動扳手，電動扳手上的開關按鈕控制電動扳手的轉動，通過調整電動扳手的正反轉實現螺母拆裝工具的正反轉。通過調節電動扳手的轉速，實現螺母拆裝工具的轉速調節；通過調節電動扳手的輸出力矩實現螺母拆裝工具力矩的調節。方案中電動扳手通過蓄電池供電，可避免現場工作中工具拖線的麻煩。

工具套在主螺母上，撥齒與主螺母外面的齒輪相嚙合，同時撥齒上設計有1 個軸向定位機構，使工具套在主螺母上以后能夠與螺母組件的端面保持貼合，通過撥齒與主螺母外面齒輪結構的嚙合及與螺母端面的貼合即可實現工具的定位。

工具在主螺母上完成安裝定位后，操作人員一手操作電動扳手，通過電動扳手帶動螺母的旋轉；另一只手握住操作手柄，保持工具工作時的穩定，同時提供拆螺母過程中所需要的反作用力矩。基座上設計有2 個操作手柄安裝孔，可根據現場操作環境和個人操作習慣選擇操作手柄的安裝位置。

3.3 設計計算

3.3.1 主螺母拆裝扭矩計算

主螺母拆、裝時主螺栓處于豎直狀態，拆、裝的過程中需要克服螺紋副之間的摩擦力所產生的力矩。為了保證所選電動扳手的輸出扭矩能夠滿足主螺母的拆、裝需要，需對螺母拆、裝所需的力矩進行校核計算。以M155×4 mm 的螺母為研究對象進行設計（圖4），螺母組件的重量約為30 kg，螺母拆、裝過程中無預緊力，只有螺母組件自身的重力，因此F=300 N，螺紋中徑向d2=152 mm，螺紋升角λ=0.47°，螺紋摩擦角ρv=6.585～13°（f 為摩擦因數，無潤滑時f≈0.1～0.2）。Фmin=154.456。

圖4 M155×4 螺紋尺寸

主螺母拆裝過程中所需的扭矩為：

取T1=5.45 N·m，安全系數s=2，則設計中取T=2T1=10.9 N·m

3.3.2 拆裝時間計算

主螺母與主螺栓的旋合段長度約為175 mm（螺栓螺紋段總長210 mm，減去墊圈厚度），該段螺紋規格為M155×4 mm，在拆卸螺母的過程中，螺母每轉1 圈就上升1 個螺距的長度，即主螺母上升速度為4 mm/r。電動扳手輸出轉速為300 r/min，通過變速箱后傳遞到轉動環的轉速為60 r/min，螺母上升直線速度為60 r/min×4 mm/r=240 mm/min，理論上螺母完全脫離螺紋段所需時間為：175/240=0.73 min=43.75 s。

4 試驗驗證

為了驗證主螺栓螺母拆裝工具的設計、制造能夠滿足現場主螺栓螺母拆裝的需要，在主螺栓螺母1∶1 的模擬體上，對主螺母拆裝工具進行反復拆、裝試驗（圖5）。試驗結果表明，主螺栓螺母拆裝工具能夠方便、可靠地在主螺母上安裝定位；通過調整電動扳手的旋轉方向可以實現拆裝工具的正反轉，拆、裝螺母的過程中未出現力矩不足的現象；將一顆螺母組件從主螺栓上拆下或安裝到主螺栓上，約需要45 s。主螺母拆、裝的過程中未出現損壞主螺栓螺母的情況。

圖5 主螺母拆裝試驗圖

5 結束語

針對反應堆壓力容器主螺栓螺母清洗前后主螺母拆裝的需求，設計了主螺栓螺母的拆裝工具，對拆裝螺母所需扭矩和時間等進行了計算，通過試驗驗證主螺栓螺母拆裝工具，能夠實現主螺母組件在主螺栓上的快速拆、裝，為降低操作人員勞動強度、節省大修時間提供了支持。