螺孔塞试验模拟装置的设计*

沈勇坚，黄国军，胡士光

(上海核工程研究设计院，上海 200233)

螺孔塞试验模拟装置的设计*

沈勇坚，黄国军，胡士光

(上海核工程研究设计院，上海 200233)

简要介绍了试验模拟装置在核电设备中的作用，主要对螺孔塞试验模拟装置的设计进行阐述。螺孔塞试验模拟装置的设计目的是为了验证螺孔塞及操作工具的设计及培训人员对螺孔塞及操作工具的操作，达到螺孔塞预期的功能。对设计条件、设计方案到最终的设计及操作应用均进行了描述，明确了试验模拟装置在核电设备中的作用。

试验模拟装置；螺孔塞；核电设备

0 引 言

核电站是一个非常庞大的工程，电站由众多的系统和设备组成，因此核电站的安全与核电设备密不可分。在设计、生产核电设备中，需对设备进行必要的试验确保设备能安全可靠的为核电站的运行服务。

在核电设备中，有主设备，也有辅助设备、工具等。在整个核电站正式运行之前，每个设备都必须进行严格的试验和测试。在核电站运行后，需对核电站维修人员和运行技术人员进行培训，尤其是需要对某些放射性剂剂量高及与核安全相关的设备的操作与维修进行实体模拟培训；对于某些可能出现的故障和事故后的维修进行培训，达到熟练操作程序和维修规程，提高维修、运行人员的的操作技能，以便在以后的操作和维修过程中提高效率，缩短作业时间，减少人员受照射时间，提高核电站运行的安全性。

因为核电站的放射性、复杂性和庞大性，不可能每个核电设备都在核电站上做性能测试、试验和人员培训，尤其是一些辅助设备和工具，数量多，用途广，很难有实际的应用场合和设备做测试和培训。在这样的情况下，为了能确保设备的性能，保证其安全性可靠性，设计一个试验模拟装置就非常有必要，通过试验模拟装置对某些特定的设备进行一一检测和试验，测试其性能，改进其设计，以达到设备在实际使用中的良好表现，使操作人员能达到熟练操作的目的。

1 试验模拟装置设计理念

试验模拟装置的设计出发点和基本理念：

(1) 相似性 由于试验模拟装置是针对设备在核电站中的情况，因此，在试验模拟装置设计的时候，必须要无限接近或者等同于实际运行的真实情况，在此工作条件下的试验和测试才是真实可靠的。

(2) 有效性 试验模拟装置要满足该设备性能测试的要求，使该设备在实际应用中达到一个良好的效果。

(3) 方便性 模拟装置在设计的时候应该尽量避免体积庞大，尽可能设计成灵活可移动式的，尤其是针对数量多的辅助设备和工具，可多次使用，节约成本，提高效率。

(4) 经济性 设计试验模拟装置时还应从经济性角度出发，综合考虑，采取一个较合理的措施。

(5) 设计除了满足功能要求外，包括设计中必须注意和权衡的基本点，即①原材料的可采购性；②零件的可加工制造性和可检验性；③部件和整机的可装配性、可安装性和可维修性；④使用的安全性、可靠性和耐久性。

根据以上的设计理念和原则完成了以下螺孔塞试验模拟装置的设计。

2 螺孔塞试验模拟装置设计

螺孔塞是为核电厂工程反应堆压力容器主螺栓孔而设置的，它的主要功能是在反应堆换料和检修时封堵主螺栓孔，以防止硼酸水灌入主螺栓孔，导致主螺栓孔内金属腐蚀。本设备由螺孔塞、操作工具和存放箱组成，操作工具包括长柄工具、长柄扳手、短柄工具、短柄扳手。

实际的安装过程为从工具箱里取出螺孔塞，用长柄工具把装配好的螺孔塞分别送入到主螺栓孔里；依次采用长套筒扳手压紧螺孔塞压紧螺母；通过力矩扳手拧紧；螺孔塞使用完后，用短套筒扳手把螺母拧松，然后用短柄工具把螺孔塞提起并外表去污，装入贮存箱，以备后用。

从螺孔塞的功能可看出，由于放射性，在运行的核电厂反应容器主螺栓孔上进行试验和性能测试显然是不可能的，所以设计试验模拟装置是必须的。

2.1 设计条件确定

试验模拟装置必须要无限接近或者具有相同的工况，这样的试验和测试才有实际意义。

在螺孔塞试验模拟装置的设计中，操作流程应与实际的安装过程一致，螺孔塞及操作工具将用于实际螺孔塞的安装和使用中。在试验模拟装置的设计中，主要需设置模拟主螺栓孔的模拟体，用于检验和测试螺孔塞以及操作工具的实际效果，培训人员熟练使用。因此在螺孔塞试验模拟装置的设计中，工作压力、粗糙度、材料等设计条件必须与实际工况一致。由于没有横向的应力，在设计中，可在筒体的设计厚度上满足压力条件，设计条件及螺孔塞及操作工具尺寸见表1、2。

表1 螺孔塞及其操作工具的设计条件

表2 螺孔塞及操作工具尺寸

2.2 设计方案

图1所示为核电厂螺孔塞尺寸图，根据表1、2及图1所示设计条件和尺寸，螺孔塞试验模拟装置的设计思路如下：

(1) 目的：本试验模拟装置用于测试螺孔塞的操作，测试螺孔塞的密封效果。

(2) 设计参数：工作压力与实际工况一致，满足密封试验的压力要求。

(3) 整体方案：设计圆筒形实验装置，分为上下管座，管座通过螺栓连接，用密封垫保证密封[1]。筒体长度应满足实际操作工具使用需求，并且上管、下管长度和内径应满足实际使用需求，如图2、3所示。实际螺孔塞图上的倒角对性能测试没有影响，可不需设计。设置加压泵，已达到实际所需的试验压力。

图1 核电厂螺孔塞尺寸图

图2 上管座 图3 下管座

(4) 壁厚尺寸计算：由于试验压力为0.1 MPa，为一个大气压的压力，因此可初步确定壁厚[1]。然后筒体可根据承受内压计算， NB/T 47003.1-2009《钢制焊接常压容器》公式6-1进行核算[2]。

计算公式：

(5) 材料选择：采用不锈钢材料，密封垫采用：石棉橡胶垫，主要用于以水、水蒸气等介质为主的设备管道法兰连接处所用的密封衬垫材料。

(6) 尺寸公差、粗糙度等都应该与实际工况相同，以满足实际操作的需求。

(7) 由于螺孔塞还配备了操作工具，试验装置还应考虑其工具的操作性和使用情况。

2.3 详细设计

经过计算和设计，最终的设计尺寸如表3所列。

表3 详细设计尺寸

最终的设计如图4～6所示。

图4 试验模拟装置总图

图5 试验模拟装置三维图 图6 试验模拟装置与螺孔塞的配合剖面图

在最终完成的设计中，试验模拟装置由上管座、下管座、推车支架、加压泵等组成，如图7所示。这个试验模拟装置可移动，方便，并且可通过更换筒体，满足不同尺寸的螺孔塞的测试需求。通过操作设置的手动加压泵，可达到设计压力的需求。整个设备不超过50 kg，经济性和携带性都相对较好。

图7 试验模拟装置实体图

2.4 实际测试

在螺孔塞安装到主螺栓孔前，可先在模拟体上做螺孔塞的拆装试验与封堵试验。

(1) 装拆试验：安装时，先用长柄工具把组装好的螺孔塞安装到模拟试验装置内，而后旋出长柄工具，再用长套筒扳手旋紧螺孔塞上压紧螺母；拆卸时，用套筒扳手把螺母拧松，然后用长柄工具把螺孔塞提起。

(2) 封堵试验：螺孔塞安装好后，往试验装置里注满除盐水，然后把盖板用螺栓紧固密封，再用手动泵进行打压，试验压力为0.1 MPa，保压时间为10 min，无泄漏为合格。

从最后的使用情况来看，反应良好，充分说明了，此试验模拟装置对螺孔塞及其操作工具的测试和试验效果是可靠的。螺孔塞在试样模拟装置中测试使用合格后，应用到了核电厂现场，在使用中未发现问题，效果良好。

3 结 语

当核电设备不能在实际工况中进行测试时，为了测试其性能，设计相应的试验模拟装置是必要的。不同的设备需不同的试验模拟装置来进行测试和试验，试验模拟装置可在很大程度上测试核电设备或工具的性能和使用情况，具有很强的实用性。笔者从螺孔塞试验模拟装置在核电设备中的重要性方面进行了一些阐述和探讨。

螺孔塞试验模拟装置模拟了实际螺孔塞的工况，验证了螺孔塞及其操作工具的合理性和可行性，培训了人员的操作，达到了预期的目的，并最终应用到了实际的工程中。从螺孔塞试验模拟装置的设计到实际使用各个方面的情况综合来看，效果显著。

[1] 机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社,2006.

[2] NB/T 47003.1-2009 钢制焊接常压容器[S],2009.

Design of the Testing Equipment for Stud Hole Plug

SHEN Yong-jian, HUANG Guo-jun, HU Shi-guang

(ShanghaiNuclearEngineeringResearchandDesignInstitute,Shanghai200233,China)

The act of the testing equipment in the nuclear equipment is simply introduced, and illuminated particularly about the testing equipment of stud hole plug. The testing equipment for stud hole plug is designed to test the stud hole plug and operation tools, training staff to operate the stud hole plug and tools, verifying the function of the stud hole plug. The design conditions, design scheme, final design and operation of the testing equipment are described, the function of the testing equipment is defined in nuclear power equipment.

testing equipment; stud hole plug; nuclear equipment

2014-01-03

沈勇坚(1980-)，男，浙江东阳人，工程师，硕士，研究方向：核电机械设备设计。

TH122

A

1007-4414(2014)02-0136-03