核電廠主設(shè)備用螺紋襯套研制與試驗(yàn)

余 平 湯臣杭

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都610213）

0 引言

核電廠的蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等主設(shè)備，在制造、安裝、檢修期間，其入孔、手孔和觀察孔的螺栓連接接頭處時(shí)常發(fā)生螺栓被咬死、螺紋孔的內(nèi)螺紋被碰撞等問題，導(dǎo)致螺紋孔嚴(yán)重?fù)p壞，以至于不能采用一般的修理方法修復(fù)螺紋孔。在這種情況下，就可采用螺紋襯套來進(jìn)行修復(fù)。采用螺紋襯套修復(fù)之后的螺孔無須更換螺栓，且有助于增強(qiáng)螺紋連接的承載力和抗疲勞強(qiáng)度。這種修理方法技術(shù)比較成熟、可靠，在國外核設(shè)備螺紋孔修理中被廣泛使用。

目前，國內(nèi)二代及二代加核電廠主設(shè)備用螺紋襯套參考國外設(shè)計(jì)，缺乏相應(yīng)的分析研究和試驗(yàn)研究，無法滿足自主化三代核電機(jī)組（如華龍一號）的需求，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自主化和制造本地化，相關(guān)人員在國內(nèi)開展了核電廠主設(shè)備用螺紋襯套的研制。本文論述了螺紋襯套研制的關(guān)鍵技術(shù)，針對螺紋襯套的工作特性進(jìn)行了分析，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 螺紋襯套工作原理

螺紋襯套（Helical-Coil Threaded Inserts）是一種特殊的內(nèi)螺紋緊固件。核設(shè)備用螺紋襯套是采用高強(qiáng)度、高精度、表面光潔的冷軋菱形鎳基合金絲精確加工而成的一種彈簧狀內(nèi)外螺紋。

螺紋襯套的工作原理是在螺栓／柱和基體內(nèi)螺紋之間形成彈性連接，消除螺紋制造誤差，提高連接強(qiáng)度。自由狀態(tài)螺紋襯套外徑大于螺孔的直徑，通過專用安裝工具使其直徑變小，旋入預(yù)先加工好的內(nèi)螺紋中。螺紋襯套起到類似彈簧的膨脹作用，使其牢固地固定在螺紋孔內(nèi)，不會(huì)隨螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)。螺紋襯套工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 螺紋襯套工作原理示意圖

2 螺紋襯套關(guān)鍵技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究人員通過調(diào)研國外核設(shè)備螺紋襯套的相關(guān)資料，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定了螺紋襯套結(jié)構(gòu)尺寸要求，螺紋襯套結(jié)構(gòu)如圖2所示，其相關(guān)技術(shù)要求如下：螺紋襯套型面尺寸按國標(biāo)執(zhí)行；安裝柄位置尺寸E取引導(dǎo)圈Dy實(shí)際尺寸的1/2為其公稱尺寸，偏差為±0.15 mm；自由狀態(tài)下，螺紋襯套的外螺紋牙型角平分線應(yīng)垂直于螺紋襯套軸線，其偏差應(yīng)不大于4°；螺紋襯套兩相鄰圈之間的間隙應(yīng)不大于0.25倍螺距；折斷槽應(yīng)保證螺紋襯套在正確使用安裝工具時(shí)，安裝柄不折斷，安裝后，用專用去柄工具能將安裝柄在折斷槽處折斷并脫落，安裝柄去除后，不影響螺紋精度。

圖2 螺紋襯套結(jié)構(gòu)圖

在確定螺紋襯套結(jié)構(gòu)尺寸后，為保證螺紋襯套可正確安裝，還需確定螺紋襯套安裝用底孔尺寸，相關(guān)技術(shù)要求如下：螺紋襯套底孔的基本牙型符合國標(biāo)規(guī)定；螺紋直徑的極限偏差從螺紋基本牙型線起，按垂直于螺紋軸心線方向計(jì)算；螺紋大徑偏差由螺紋工具確定；螺紋中徑的下偏差包括中徑本身的尺寸偏差和螺距、牙型半角誤差的中徑補(bǔ)償值，上偏差為中徑本身的偏差，用極限塞規(guī)檢查。

2.2 材料技術(shù)要求

調(diào)研國內(nèi)外核動(dòng)力裝置主設(shè)備用螺紋襯套材料，結(jié)合國內(nèi)二代加核電站建造經(jīng)驗(yàn)，選用螺紋襯套材料牌號為GH4145，該材料等效RCC-M[1]牌號NC15FeTNb及ASME[2]牌號Inconel X750。該材料具有高強(qiáng)度、良好的韌性、良好的耐腐蝕性能，與低合金鋼底孔材料具有相近的熱膨脹系數(shù)，在核電站蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器的螺紋襯套上已有不錯(cuò)使用經(jīng)驗(yàn)。

2.3 制造

螺紋襯套制造工序包括軋絲、繞絲、沖斷、開槽、清洗和硬化熱處理等。

（1）軋絲：在專用軋絲機(jī)上將圓形原料絲冷軋擠壓成需要的菱形絲，并達(dá)到要求的截面尺寸，便于后續(xù)的繞套工作。軋絲的關(guān)鍵在于：①確定不同規(guī)格的菱形絲所需的原絲直徑；②確定軋絲所需的軋輥邊槽形狀；③確定軋絲機(jī)的功率、軋絲速率等。

（2）繞絲：將軋制好的菱形鋼絲在專用繞絲機(jī)上繞制出螺旋形線圈，形成螺紋襯套的雛形。繞絲的關(guān)鍵在于：①確定繞絲用的芯軸直徑；②確定專用繞絲車床的轉(zhuǎn)速；③確定一套符合生產(chǎn)實(shí)際的簡單易用繞絲板調(diào)整工藝。

（3）沖斷、開槽：將繞絲后兩端多余的工藝長度沖斷，并在安裝柄端一側(cè)的導(dǎo)引圈上開沖斷槽。

（4）清洗和硬化熱處理：采用超聲波清洗技術(shù)進(jìn)行真空熱處理，嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，保證獲得最終力學(xué)性能和表面質(zhì)量。

產(chǎn)品最終性能指標(biāo)如下：

1）室溫抗拉強(qiáng)度1 553 MPa；

2）室溫屈服強(qiáng)度1 436 MPa；

3）斷后伸長率19%；

4）360 ℃抗拉強(qiáng)度1 372 MPa；

5）360 ℃屈服強(qiáng)度1 200 MPa。部分性能指標(biāo)優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

3 分析和試驗(yàn)

針對螺紋連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，裝配螺紋襯套后載荷分布更均勻。如圖3所示，不裝配螺紋襯套時(shí)大部分應(yīng)力集中在上面少數(shù)幾扣螺紋上，只有1/3的絲扣承擔(dān)了大部分載荷。而裝配螺紋襯套后，由于螺紋襯套有一定的柔性，在加載過程中能補(bǔ)償螺紋導(dǎo)程或螺紋角度誤差，從而使載荷均勻分布到螺紋全長，提高螺紋強(qiáng)度。

圖3 螺紋應(yīng)力分布圖

研究人員還開展了螺紋襯套連接強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。螺栓及螺紋襯套規(guī)格：M48x4；螺栓材料：42CDV4（RCC-M M5110）；底孔材料：18MND5（RCCM M2119）。該試驗(yàn)裝置見圖4和圖5所示。

圖4 螺紋襯套連接強(qiáng)度試驗(yàn)

圖5 螺紋襯套疲勞試驗(yàn)

同時(shí)，進(jìn)行了4組連接強(qiáng)度試驗(yàn)，第1、第2組一端帶螺紋襯套一端不帶，第3組兩端均帶螺紋襯套，第4組兩端均不帶螺紋襯套，結(jié)果為：

（1）第1、第2組試驗(yàn)中，不帶螺紋襯套一端先發(fā)生脫扣破壞；

（2）第3組發(fā)生破壞時(shí)的力大于第4組。試驗(yàn)結(jié)果表明裝配螺紋襯套提高了螺紋連接強(qiáng)度。

疲勞試驗(yàn)結(jié)果為：試驗(yàn)螺栓斷裂，螺紋襯套表面沒有不可接受的缺陷，通止規(guī)檢查合格。試驗(yàn)結(jié)果表明裝配螺紋襯套后的螺紋疲勞使用壽命好于螺栓。

4 結(jié)語

研究人員通過研制，掌握了核電廠主設(shè)備用螺紋襯套設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)自主設(shè)計(jì)和制造。通過對螺紋襯套開展的連接強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證了螺紋襯套設(shè)計(jì)和制造的合理性。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果也表明裝配合適的螺紋襯套進(jìn)行螺紋孔的修復(fù)，可以提高螺紋的承載能力。