核电站现场特殊工位下法兰螺纹孔的高精度加工技术研究

摘 要：本文主要阐述了在核电站现场环境受限的特殊情况下，选择合适加工设备，并设计、制造辅助加工系统，完成法兰螺纹孔高精度加工的技术。

关键词：现场特殊工位;法蘭螺纹孔;高精度加工;磁力钻;加工辅助系统

1 项目背景

某核电站现场蒸汽发生器（简称：SG）水压试验前检查发现180°和270°位置眼孔法兰螺纹孔螺牙存在不同程度的损伤。需对损伤螺纹孔扩孔、攻丝、安装螺纹衬套，以恢复螺纹孔的设计功能。

眼孔法兰螺纹孔（M24×3，H=50mm）形位公差要求高，位置度和垂直度均要求在φ0.5mm，而现场蒸汽发生器竖直放置，眼孔法兰工位处没有稳定牢靠的操作平台，且操作空间严重受限，特殊的现场工位给眼孔法兰螺纹孔加工带来了巨大的困难。

2 项目实施原理

SG处于立式状态，空间受限，无法使用数控机床进行扩孔，螺纹孔严格的位置度和垂直度要求，对加工设备的稳定性及加工精度要求高;经分析，眼孔法兰密封面与螺纹孔垂直，在工厂内加工采用同一基准，两者具有良好的相对位置关系，综合分析后，选定磁力钻作为加工设备，借用眼孔密封面作为安装和加工基准。

经对磁力钻的选型计算，发现存在以下问题：1）眼孔密封面面积较小，磁力钻与密封面装夹后无法获得足够的夹持力;2）磁力钻与眼孔密封面直接装夹容易损伤其表面，影响密封;3）磁力钻不具备坐标功能，无法精确定位。

经过设计和计算，开发眼孔加工工装、眼孔加工定位工装配合磁力钻，组成一套完整的加工辅助系统，共同完成螺纹孔的扩孔、攻丝，配合工作原理如下（工位简图见图1）：

（1）根据实测的需现场加工的螺孔与相邻两个螺孔的位置尺寸，制作一个定位板（即眼孔加工定位工装），定位板上分布四个孔，分别对应需加工的螺孔及另外三个螺孔的实际位置，选择定位板上除待加工螺孔外的三个螺孔中的其中两个用于定位。

（2）根据眼孔加工定位工装上用于定位的两个孔的实际尺寸，配做眼孔加工定位工装螺栓，以确保眼孔加工定位工装的各孔分别与相应螺纹孔对应。

（3）通过眼孔加工定位工装螺栓、眼孔加工定位工装与眼孔法兰配合连接，将眼孔加工定位工装的各孔限制在相应的螺纹孔位置，并将定位板压紧于眼孔法兰上。

（4）将眼孔加工工装装配至眼孔加工定位工装上并压紧，用塞尺检查眼孔加工工装表面与眼孔加工定位工装表面之间、眼孔加工定位工装与眼孔法兰表面之间的间隙，保证整个眼孔加工工装表面与眼孔法兰表面的平行度。

（5）根据眼孔加工定位工装上与待加工螺孔对应的通孔尺寸，配做相应的定位芯棒。

（6）选择加工精度满足使用要求的磁座钻，在其主轴上安装定位芯棒。调整磁座钻的位置，使得芯棒能够顺利插入眼孔加工定位工装上与待加工螺孔对应的通孔，然后将磁座钻吸附于眼孔加工工装的底板上。

（7）磁座钻安装位置确定后，使用磁座钻分别安装麻花钻、丝锥进行扩孔、攻丝，最后安装螺纹衬套完成螺纹修复。

3 实施过程

为了验证设备、工装、刀具以及其他工具等组成的整套加工系统的可靠性，固化现场操作步骤以应用于现场加工，提前开展了模拟现场加工工艺试验，试验件螺纹孔，通止规检查合格，且螺孔的内螺纹情况、螺纹小径、螺孔垂直度（相对于密封面）以及螺孔位置度等均能够满足设计图纸要求，其中垂直度≤Φ0.16mm，位置度接近于0。

现场加工实施过程如下：

（1）清理眼孔法兰上所有螺孔;

（2）选择2个螺孔（非待返修螺孔），旋入眼孔加工定位工装螺栓并拧紧，使用塞尺检查加工定位工装与眼孔法兰表面之间的间隙，保证二者表面贴紧;

（3）在中心通孔中塞进塑料薄膜、棉纱布，用胶布将这些塑料薄膜、棉纱布粘紧在通孔内壁上，以避免其掉入蒸发器筒体内。

（4）装配眼孔加工工装于眼孔加工定位工装上，安装垫圈及螺母压紧眼孔加工工装，保证其与眼孔加工定位工装表面贴合，并使用塞尺检查间隙;

（5）在磁座钻主轴上安装定位芯棒，找正待加工的螺孔。不断调整磁座钻的位置，直至定位芯棒能顺利地插进眼孔加工定位工装的定位孔和待加工的螺孔内，磁座钻设备的安装位置得以确定，然后将其吸附到眼孔加工工装的支撑板上;

（6）在眼孔加工定位工装上装配钻孔导向块，通过螺钉将导向块拧紧于眼孔加工定位工装上，导向块与待加工的螺孔对应，并保证导向块下表面和眼孔加工定位工装表面贴合;

（7）使用莫氏3号锥柄麻花钻逐级加工螺纹底孔;

a、DIN-8140-2-1988规定M24×3螺纹衬套的底孔内径应扩至Φ24.649mm～Φ25.049mm。通过现场采集的数据分析，待加工的M24×3螺孔小径在Φ20.9mm～Φ21.2mm之间，故使用不同直径麻花钻逐级扩孔至Φ24.8mm。

b、DIN-8140-1-1999规定M24×3螺纹衬套的底孔最小深度为61.1mm。通过现场采集的数据分析，待加工的M24×3螺孔底孔深度在59.9mm～60.2mm之间。故对螺孔深度按照目标值61.1（0，+5）mm扩孔。

（8）在螺纹底孔尺寸检查合格后，通过磁座钻辅助导向完成螺孔手工攻丝;

（9）在螺纹孔通止规检查合格后，使用专用工具安装M24×3螺纹衬套，保证有效螺纹长度为45mm，完成M24×3螺纹孔的返修。

4 结论

该项螺纹孔加工技术主要创新点如下：

（1）对国产磁力钻升级改造，有效解决设备在现场工位下装夹稳定性问题;

（2）精密设计、制造的系统配以合理的检查工艺，完成基准面的转移，将基准从眼孔密封面转移至磁力钻装夹面，不仅有效保护了眼孔密封面，还加强了系统稳定性;

（3）系统巧妙使用三点定位，并配以辅助导向装置，精确保证加工螺纹孔的位置度和垂直度。

该项技术成功在核电现场应用，SG 3个眼孔螺纹孔全部一次加工合格，单个螺纹返修时间5-6个小时，鉴于技术成熟可靠、经济适用、效率较高，可推广应用于类似特殊工况下的各类核电产品的螺纹孔返修。

参考文献：

[1]程小刚，郭光强，杜宇. 硼注射箱人孔螺栓孔螺纹返修工艺技术研究[C]. //第九届全国压力容器学术会议 论文集. 2017：847-853.

作者简介：

雷家维（1985.11—），男，湖北襄阳，本科，工程师，核岛主设备制造工艺研发。