核電廠整體螺栓拉伸機機械手旋螺栓對中方案分析與試驗

王 進 林寶明 劉元慶

（陽江核電有限公司，廣東 陽江529941）

1 背景

反應堆壓力容器由58 顆主螺栓緊固頂蓋和頂蓋法蘭。在開關反應堆壓力容器頂蓋過程中使用整體螺栓拉伸機（以下簡稱“MSTM”）旋入旋出主螺栓，并對主螺栓進行拉伸。機械手的對中機構在主螺栓旋入旋出主螺孔過程中保證機械手與主螺栓及主螺孔的對中，防止主螺栓旋擰過程中出現卡澀情況。當前國內主流的整體螺栓拉伸機分為SKF MSTM以及STS MSTM。兩者在機械手對中設計中的最大差異為對中方式差異。SKF MSTM采用的是主動對中方式（如圖1），機械手依靠位置傳感器反饋的對中數據主動調整上X-Y 板電機，從而實現機械手跟隨螺栓位置的目的。STS MSTM采用的是從動對中方案，該方案無需下X-Y 板與主動對中電機，機械手位置通過滑軌被動跟隨螺栓的位置移動。

圖1 SKF MSTM 機械手主動對中結構

對國內5 個核電基地自2018 年6 月后的大修反應堆開關蓋螺栓旋擰異常情況進行分析，在操作工藝、機組結構相同的情況下，使用主動對中方案的SKF MSTM相較于使用從動對中方案的STS MSTM，螺栓擰出過程異常的數量明顯偏多，且集中在開蓋階段，數據見表1。（注：異常定義：150Nm 持續不動/150Nm～200Nm 旋轉（調上限后）/200Nm 無法擰出，手動擰出。）

表1 SKF MSTM 與STS MSTM 執行旋螺栓過程中的異常數量統計表

統計上述輪次大修螺紋損傷的位置，其中齒根、齒頂缺陷約占總缺陷的76%，且缺陷主要類型為毛刺與劃傷。根據螺栓與螺孔的共性缺陷對機械手旋螺栓過程螺栓與螺孔配合的模型進行反向分析，由于缺陷集中在齒頂齒根且缺陷主要類型為毛刺、劃/磨傷，因此判斷螺紋旋入過程中主要螺紋主要嚙合受力部位為齒根齒頂，如圖2 所示。可以判斷此時螺栓軸線與螺孔軸線不共線。造成兩根軸線不共線的主要原因為機械手旋轉電機與螺栓及螺孔的對中存在偏差。因此懷疑SKF MSTM當前的主動對中方案存在設計缺陷。

圖2 螺栓螺孔配合示意圖

2 機械手對中設計分析

分析采用主動對中的SKF MSTM的對中設計方案，機械手是由上下兩部分組成，中間由萬向節連接，位置傳感器會實時監測機械手下部X-Y 板位置，通過反饋信號自動調整上部X-Y 板位置與下部X-Y 板位置一致，實現螺栓與螺孔的精確對中。當開蓋時螺栓位置較低，機械手需要從拉伸機的頂部下降至螺栓的頭部進行操作，此時機械手上X-Y 板高度降低，機械手下部X-Y 板高度不變，因此上部X-Y 板和下部X-Y 板的距離較近，在上下X-Y 板系統上記錄的偏差值一致的情況下（以上、下X-Y 板偏差值為0.3mm 為例），實際上機械手和螺栓的對中偏差有明顯差異，導致該差異的原因是設計問題。如圖3。

圖3 機械手上部X-Y 板跟隨下部X-Y 板測量系統偏差示意圖

為驗證采用主動對中的SKF MSTM 方案實際上會導致機械手與螺孔的最大偏差，需執行如下三個性能試驗。

2.1 上、下X-Y 板傳感器零點標定

上部、下部X-Y 板對中驗證，是將機械手的萬向節及以下部分拆除，在萬向節安裝部位裝上定心工裝，定心工裝為錐形圓柱，定心裝置下降插入下部X-Y 板時可使上部、下部X-Y 板的中心線重合。

圖4 X-Y 板對中驗證工裝

2.2 上、下X-Y 板距離傳感器精度

通過移動機械手，讀取X-Y 板兩個方向位置傳感器的數值，與設定值進行比對，驗證上部、下部X-Y 板位置測量傳感器數值偏差，結果如表2。X 方向最大偏差值0.61mm，Y 方向最大偏差值為0.68mm。

表2 上、下X-Y 板距離傳感器精度驗證結果

2.3 上部X-Y 板跟隨動作的閾值驗證

做一組SKF MSTM機械手主動對中旋螺栓試驗，選取X 方向與Y 方向的上、下部X-Y 板同一方向的位置測量值數據做比較，驗證上部X-Y 板的主動對中電機介入的上、下板偏差閾值。根據試驗過程數據，見圖5，當前機械手主動對中旋螺栓的方案下，主動電機介入的上、下板偏差閾值為0.3mm。

圖5 主動對中方案下上、下部X-Y 板跟隨情況

總結：上部、下部X-Y 板位置測量傳感器驗證結果為X 方向傳感器最大偏差為0.61mm，Y 方向傳感器最大偏差為0.68mm。考慮到上部X-Y 板主動調整電機跟隨動作的閾值為0.3mm，結合圖3 機械手的結構尺寸，那么主螺栓與旋擰電機實際可能最大對中偏差為X 方向8.008mm，Y 方向為8.624mm。這種情況下系統記錄的主螺栓位置偏差為0.3mm，上部X-Y 板主動調整電機無動作。因此當前主動對中方案中在主動電機動作的閾值內X-Y 板最大的對中偏差將達到。

3 機械手主動對中與從動對中試驗對比

為驗證主動對中方案是否會導致主螺栓旋入力矩增大，特設計主動與從動對中旋螺栓對比試驗進行驗證。

機械手從動旋螺栓的實現方式如圖6 所示，是將機械手的萬向節拆除后替換成直桿工裝，使機械手上部和下部X-Y 板之間的結構成為一根直桿。同時拆掉上部X-Y 板的調節電機和傳動機構，使機械手上部X-Y 板可跟隨主螺栓自由移動（下部X-Y 板原設計可自由移動，試驗過程不做改動）。

圖6 機械手從動旋螺栓

兩個對比試驗最終測試模式分為：①正常良好工況下10r/min、15 r/min、25 r/min 的速度主動、從動對中旋螺栓試驗；②模擬螺孔偏移對中點12mm（相對于正常工況良好）時10r/min、15 r/min、25 r/min 的速度主動、從動對中旋螺栓試驗；③力矩在60-100N*M范圍時10r/min、15 r/min、25 r/min 的主動、從動對中旋螺栓試驗。

試驗結果如下：

①模擬螺孔與螺栓配合正常良好工況：機械手主動對中旋入螺栓和從動對中旋入螺栓的力矩值差距不大，均可正常旋入旋出螺栓。典型力矩對比圖如圖7 所示。

圖7

②模擬螺孔中心偏移對中點12mm 工況：旋入螺栓時，機械手從動對中旋螺栓效果比主動對中略好，但差別不大。而在旋出螺栓過程中，機械手從動對中旋出螺栓的效果明顯優于主動對中，力矩值減小，力矩值波動范圍也小。典型力矩對比圖如圖8 所示。

圖8

③力矩在60-100N*M范圍：此范圍內模擬螺孔的偏移位置較大（大于12mm），旋入螺栓時，主動對中與從動對中力矩偏差不大。旋出螺栓時，從動對中的旋出螺栓效果好于主動對中的效果。典型力矩對比圖如圖9 所示。

圖9

綜合以上結論得出下表：

表3 SKF MSTM 機械手主動對中與從動對中旋螺栓力矩測試結果對比表

備注：從力矩大小和波動情況進行比較，效果相似記為平。效果明顯好的記為優。

4 結論

通過理論分析主動對中方案認為當前SKF MSTM使用的主動對中方案在開蓋過程中可能存在較大的對中偏差問題。從主、從動對中試驗對比可以看出，在同樣試驗條件下，螺栓旋入過程中（對應開蓋模式），主動對中與從動對中對螺栓旋入力矩的影響差異不大，從實際數據對比來看從動對中效果略優。在螺栓旋出過程中（對應開蓋模式），對中良好工況或小力矩工況下，機械手主動對中與從動對中旋擰螺栓過程的力矩相差不大，從動對中略優于主動對中。在對中偏差較大或者大力矩工況下，旋出螺栓，機械手從動對中的力矩效果明顯好于主動對中。總體來看，從對對中方案對于螺栓旋入力矩的控制要優于主動對中方案。