秦山第二核电厂蒸汽发生器手孔螺栓改造

吴雷

摘要：蒸汽发生器手孔是二回路的重要压力边界。手孔螺栓由于结构形式以及开关操作方式的原因，曾多次发生咬死，甚至损坏了蒸汽发生器本体螺纹。文章叙述了蒸汽发生器手孔螺栓改造的全过程，为后续其他手孔螺栓的改造以及手孔检修的改进提供了参考。

关键词：核电厂；蒸汽发生器；手孔螺栓；伸长量；螺栓拉伸机；水压试验 文献标识码：A

中图分类号：TH123 文章编号：1009-2374（2016）24-0029-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.014

1 绪论

1.1 前言

蒸汽发生器是核电厂一回路主要设备之一，其功能是用于将一回路产生的热量传递给二回路的水以产生饱和蒸汽，饱和蒸汽冲转汽轮机进行发电。每台蒸汽发生器共有6个手孔，每个手孔有8颗螺栓。在每次停堆换料大修中，在役检查人员均需对蒸汽发生器二次侧管束、管板等进行水力冲洗以及电力检查。故需要打开蒸汽发生器二次侧手孔，一般需开启流量分配板下方的4个手孔。

1.2 改造原因

蒸汽发生器手孔螺栓结构形式原为平头螺栓，在手孔开关时采用力矩扳手进行操作。在调试期间及101、102大修时多次发生手孔螺栓与蒸汽发生器本体螺纹咬死的情况，而且咬死螺栓的数量也呈增加的趋势。

经过分析，发现平头螺栓结构在使用扳手逐个拧紧时受力不均，在长期运行中的高温膨胀和交变受力后，螺栓比较容易发生咬死。螺栓咬死后，在处理时可能损伤蒸汽发生器本体内螺纹，且处理时间较长，增加检修人员辐照剂量，影响蒸汽发生器的检修工期，并且蒸汽发生器二次侧手孔属于二回路压力边界，其完整性与核安全相关，因此对螺栓结构进行改造。

2 蒸汽发生器手孔螺栓改造设计

2.1 螺栓结构设计及应力分析

通过分析设计，将手孔螺栓结构形式由原来的平头螺栓改造成双头螺柱，螺柱中间开有通孔，安装测量杆。手孔盖及密封垫形式不做改动，螺栓、螺母、垫圈的材料也保持不变。螺栓结构改造后，通过应力分析核算表明，螺栓在各种工况下，应力均满足ASME规范的要求，满足设计要求。

2.2 螺栓残余伸长量计算

改造后的螺栓采用整体式螺栓拉伸机拉伸进行手孔开启、关闭操作，需要通过测量螺栓的残余伸长量控制螺栓的预紧力，从而保证手孔的密封。

螺栓残余伸长量计算公式如下：

式中：

F——螺栓预紧力（N）

E——螺栓弹性模量（MPa）

L1——螺栓底部段的当量长度（mm）

A1——螺栓底部段的当量面积（mm2）

L2——螺栓中间段的当量长度（mm）

A2——螺栓中间段的当量面积（mm2）

L3——螺栓头部段的当量长度（mm）

A3——螺栓头部段的当量面积（mm2）

根据西屋和ENSA的报告、材料的弹性理论以及螺栓设计图纸，得到以下数据：

F=97580N E=204800MPa

L1=32.15mm A1=346mm2

L2=81.2mm A1=280mm2

L3=21.4mm A3=346mm2

代入上述公式：

计算得到ΔL≈0.21mm。考虑到残余伸长量5%左右的误差范围，手孔螺栓残余伸长量计算值为0.21±0.01mm。

同时出于安全考虑（避免螺栓拉伸过长，损坏螺栓），设计院结合螺栓屈服强度，给出了螺栓峰值伸长量参考值（≤0.34mm）和残余伸长量参考值（≤0.27mm）。

3 蒸汽发生器手孔螺栓改造试验

3.1 螺栓改造试验

3.1.1 伸长量与泵油压之间的对应关系确定。手孔螺栓改造后，采用整体式螺栓拉伸机拉伸螺栓进行手孔开、关操作。由于螺栓拉伸机是通过油泵升压带动拉伸器油缸，将螺栓拉伸至一定伸长量，螺栓的伸长量大小直接由泵油压的大小来控制，故需要确定伸长量与泵油压之间的对应关系。

拉伸试验在模拟体上进行，以确定伸长量与泵油压之间的对应关系。试验分两步进行：试验A、试验B。

第一，试验A：螺栓拉伸过程中伸长量与泵油压之间的对应关系确定。

试验采用8套螺栓，用数顯百分表对其中两个对称螺栓的伸长量进行对比测量，在每个压力平台进行读数记录伸长量。两个螺栓的测量数据：2#螺栓在1200bar的伸长量为0.30mm；7#螺栓在1200bar的伸长量为0.29mm。

第二，试验B：螺栓残余伸长量与泵油压之间的对应关系确定。

试验采用8套螺栓，在每个压力平台卸压后用数显深度千分尺测量伸长量，拉伸后不针对残余拉伸量进行调整。

试验分5次拉伸，每次拉伸后卸压测量残余伸长量。最终得到1#～8#螺栓的残余伸长量在0.190～0.215mm之间。

通过以上试验，得出结论如下：（1）在1200bar时，螺栓伸长量大约在0.30mm，该值未超过螺栓峰值伸长量0.34mm，故拉伸过程中，油压不应超过1200bar，否则就有可能破坏螺栓，故拉伸前需将泵最高油压设置在1200bar；（2）要控制螺栓残余伸长量在0.21±0.01mm范围内，油泵需升压至在1000bar左右。

3.1.2 水压试验。蒸汽发生器手孔螺栓改造是一项非常重要的改造。为了确保万无一失，我们在模拟体上进行了常温下的水压试验，以验证螺栓残余伸长量在满足设计计算值要求的情况下，能保证手孔密封。

按照试验B的试验程序对螺栓进行拉伸，计算残余伸长量。对于未满足要求的螺栓，再次安装螺栓拉伸机进行升压调整，使所有螺栓的残余伸长量满足要求。

手孔螺栓拉伸好后，对手孔模拟体进行充水、排气、打压。打压过程中，升压速率<0.4MPa/min，在各压力平台（工作压力6.7MPa、设计压力8.6MPa、1.1倍设计压力9.4MPa、1.25倍设计压力10.7MPa、1.5倍设计压力12.9MPa）进行了保压检查，保压时间为10min，检查密封面无泄漏，拆卸后垫片无问题。

试验结果表明，在螺栓残余拉伸量满足要求的情况下，手孔在正常运行压力以及水压试验工况下，密封没有问题。

3.2 螺栓备件拉伸试验

每次停堆换料大修，一般只开启两台蒸汽发生器的8个手孔，故先对8个手孔实施螺栓改造。实施8个手孔的螺栓改造，共需64套螺栓备件。拉伸试验必要性：

3.2.1 手孔螺栓备件为国内某厂家制造提供，出厂前未做相关拉伸试验，没有螺栓拉伸的基础数据，需要对拉伸试验做一个全面的情况了解。

3.2.2 手孔螺栓备件存在个体差异性，残余伸长量可能不一样，为保证每个手孔的8颗螺栓承载预紧力均匀，螺栓差异应尽量小，需要通过拉伸试验掌握差异性情况并进行调整。

3.2.3 手孔螺栓完整性与核安全相关，一旦服役后不能随便互换、更换，需要通过拉伸试验对每套螺栓标识编号，现场安装时对应安装，做好役前准备。

3.2.4 停堆换料大修期间，手孔位置的环境剂量较高，现场实施时尽量避免长时间作业，以减少作业人员辐照剂量。需要通过拉伸试验做好前期准备，试验数据可作为参考。

拉伸试验安排在EF5车间进行，将64套螺栓备件随机分成8组（A-H），按照A1-A8对每套螺栓进行标识编号。每次试验，安装一组螺栓，按照前面试验B的试验程序进行拉伸试验，记录每个压力平台的伸长量，计算残余伸长量，不重新升压进行调整。比较每组内8颗螺栓的残余伸长量，挑选出差异较大的，与其他组进行调整或者更换。通过试验，将每组螺栓的最终残余拉伸量都调整到比较均匀的水平。

4 结语

以上叙述了蒸汽发生器手孔螺栓改造从设计到试验的全过程。整个过程中，工作人员开动脑筋、克服种种困难，最终保证了手孔螺栓改造的顺利实施。

在改造过程中，工作人员设计并做了各项试验，有力地验证了各项设计计算值，确保了改造的顺利实施。这些试验值得继续推行和推广。同时在改造过程中，也发现很多不足，后续需要改进。

4.1 经验反馈

4.1.1 螺栓改造试验确定了螺栓伸长量与泵油压之间的对应关系，为后续操作规程的编制提供了理论依据。

4.1.2 水压试验进一步验证了螺栓残余伸长量的设计计算值，为后续手孔改造的现场实施提供了安全保证。

4.1.3 螺栓备件拉伸试验减小了每组的螺栓差异性，确保了每个手孔上螺栓残余伸长量的基本一致，保证了均匀的预紧力。同时对每套螺栓进行了标识编号，在现场实施时与每个手孔位置一一对应安装，方便了后续检修以及役检的跟踪。该试验将在后续改造中继续推行实施。

4.1.4 测量表座与螺栓端部不匹配，使得测量表无法安装固定在螺栓端部进行实时伸长量自动测量读数。故采用数显深度千分尺靠人工测量，测量时需将螺栓拉伸机拆掉。由于拉伸分几次进行，所以每次测量伸长量时都需拆装螺栓拉伸机一次，测量效率低，耗时耗力，作业人员所受辐照剂量偏大。

4.2 后续改进建议

针对以上经验反馈的不足，在后续手孔继续改造以及手孔检修中，需考虑改进测量装置。

联系螺栓拉伸機厂家对测量表座进行重新设计改进，使测量表能够安装固定在螺栓端部进行自动测量读数，以提高测量效率，优化作业人员受辐照剂量。

参考文献

[1] Vertical Steam Generator Instructions for Qinshan Joint Venture Corporation，Technical Manual No.TM 1440-C374[S].Westinghouse Electric Company，1999.

[2] 蒸汽发生器手孔改造后应力分析[S].中国核动力研究设计院，2004.

[3] 关于1#、2#机组蒸汽发生器手孔改造螺栓拉伸值计算的回复[S].中国核动力研究设计院，2009.

[4] 关于1&2机组蒸汽发生器手孔、检查孔螺栓改造项目问题的回复[S].中国核动力研究设计院，2010.

[5] 核电厂核岛机械设备在役检查规则（RSE-M）（1997版）[S].核工业第二研究设计院，2007.

（责任编辑：黄银芳）