在役核电站反应堆压力容器主螺栓卡涩处理和螺孔修复技术研究

周建明，侯硕，沈 黎，邓志燕，彭祥阳，路广遥

（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000）

反应堆压力容器是核电站核心的设备，寿命期内不可更换[1]。正常运行期间，反应堆内是高温高压流体，反应堆压力容器顶盖与压力容器法兰之间通过58 根主螺栓和C 型密封环密封。由于每次换料大修均需通过主螺栓的旋出和旋入开关反应堆压力容器顶盖，同时运行期间螺栓和螺孔长期承受较大载荷，是关键易损部位。根据经验反馈，国内某新建核电站反应堆压力容器进行热试关盖时，三根主螺栓卡涩在螺孔内，无法正常旋出，采用传统工艺手段取出后发现其中一个螺孔严重损伤，通过现场扩孔的方式对螺孔进行整体修复[2-4]，给工程进度带来了巨大影响，后续另一个核电站也出现了螺栓卡涩现象。

螺栓卡涩的原因非常复杂，螺栓本体制造过程、螺栓的维护和保养以及螺栓开启和装载设备的工艺过程均有可能成为螺栓卡涩的因素，很难找到普适的根本原因，甚至每次卡涩的原因都有可能不尽相同。虽然有一些研究论述了卡涩的原因，但是否正确和充分缺乏机理和实践检验。因此，随着投运机组的不断增加，该事件发生的可能性也会随之增大。如果发生在已投运核电站，那么除了上述功能需求外，还需要做到现场放射性物质的包容和人员受辐照剂量的控制，这对修复工艺和设备提出了更高的要求。国内之前采用手工切割—钻—扩—镗的工艺方法，效率极低；法国、美国公司也曾到现场进行试验，没有成功。之前的工艺和设备无任何辐射防护的相关措施，其技术本体也很难达到辐射防护要求。在已投运的机组上取出卡涩螺栓难度大、时间短，一旦处理不当，损失更大。因此，为了增强反应堆压力容器的运行可靠性，避免重大经济损失，针对可兼容在运电站的螺栓卡涩处理和螺孔扩孔修复需求，开发更高效、安全可靠的工艺及成套设备已经迫在眉睫。

1 辐射环境关键技术影响分析

系统设备除了要提高原国内设备的效率、精度和可靠性外，还要重点解决在运电站适用的问题。在运和新建电站的应用差异主要体现在环境辐射和安装空间的影响。

1.1 辐射环境影响分析

根据在运电站的经验反馈，正常维修实施位置的环境辐射水平一般控制在黄区上限以内（具体视电站建造和运行情况可能会有差异）。因此，设计开发过程从以下几个角度考虑。

（1）人员受照射剂量的最优化；

（2）设备满足辐射条件的使用要求；

（3）过程辐照源项的控制。

由于正常停堆没有中子辐照，伽马辐照对于设备金属构件的影响可以忽略不计，对于电气部件的影响采用类比应用的方式解决，比如电缆、传感器和控制器选择在同位置已经成熟应用设备的品牌和型号的元器件。所以在设计层面重点考虑对人的影响最小，以及对加工过程产物的最小化及控制在有限的范围内。

1.2 安装空间差异分析

现场安装空间的主要差异体现在在运电站反应堆压力容器开盖倒料后，需在开口处增加屏蔽顶盖（假顶盖）降低环境剂量率，如图1 所示。该设施减少了设备的安装和实施空间，在设备研发过程中要重点考虑相关尺寸的限制。

图1 接口示意图Fig.1 The schematic of interface

2 技术路线

根据研究目标和输入性影响，拟定技术路线如下：

（1）针对现场的使用需求，依据现有技术类比分析、理论计算、实验验证等方法进行设计参数选型和工艺选择。

（2）开展成套设备和辅助设备的总体设计，就各部件的功能以及相互之间的连接、使用关系进行详细设计，并确定了关键部件的相关材料选用与热处理方案。

（3）对设备的核心部件进行参数优化设计，并对设备的加工制造工艺进行研究。

（4）开展原理验证试验和工艺验证试验，进行设计验证。

（5）系统设备详细设计，样机试制。

（6）开展功能性试验鉴定研究，规定了试验的验收标准以及相关技术要求，在模拟体上完成性能鉴定试验。

3 工艺研究

3.1 国内新建电站的处理工艺

国内新建电站的螺栓卡涩处理的工艺主要包括切割、钻孔、扩钻、镗孔、取丝和检测，扩孔修复采用旋风铣工艺[5-7]。

经过实践检验，国内新建电站的处理工艺可行，总体工艺路线合理可借鉴，但受制于现场紧迫性，有些技术选用有较大的提升空间，并且需重点考虑投运电站的差异化影响。

（1）工艺方法优化，重点考虑安装空间的差异，效率的提升和辐射防护；

（2）设备和功能集成优化，满足小型化模块化要求，减少实施过程中更换设备和刀具。

3.2 工艺优化分析

3.2.1 工艺方法优化分析

本节以国内新建电站的螺栓卡涩处理工艺为基础，开展优化分析。

卡涩螺栓切割的工艺方法对比分析如表1所示，综合效率、辐射环境实施可行性等因素，优选圆盘锯铣的工艺方法。

表1 切割工艺方法对比分析Table 1 Comparison and analysis for cutting process methods

续表

残余螺栓掏空方法的对比分析如表 2 所示，综合效率、精度、辐射环境实施可行性等因素，优选平面高速螺旋差补铣的工艺方法。

表2 掏空工艺方法对比分析Table 2 Comparison and analysis for tunneling process methods

取丝方法的对比分析如表3 所示，手工取丝简单、实用和快速，且风险小，因此优选手工剔牙。

表3 取丝方法对比分析Table 3 Comparison and analysis for thread drawing methods

螺纹整体扩孔修复方法对比分析如表4 所示，综合精度、辐射环境实施可行性等因素，优选旋风铣削的工艺方法。

表4 螺纹整体扩孔修复方法对比分析Table 4 Comparison and analysis of the repair methods for integral reaming of thread

3.2.2 设备和功能集成优化

针对国内新建电站处理工艺存在的问题和短板，结合辐射环境的影响，设备和功能集成优化主要从以下角度进行分析。

（1）集成的可行性分析

设备集成可以显著减少工序，提高设备的利用率并降低成本，但集成也可能导致设备臃肿，可靠性降低等问题，因此在集成时要全面考虑。

1）螺栓切割和残余螺栓掏空过程的功能集成分析

二者从运动角度分析，均有主轴的旋转运动和水平运动，是具备集成条件的。但从空间分析，满足主螺栓侧面切割工作过程需要尽可能小的主轴直径和足够大的圆盘锯铣刀具，同时切割过程精度要求不高，但希望较高的效率，也就产生了较大的切削力。

根据公式（1）计算，最大切削力可达794 N，这对于要求高精度、大悬深加工的掏空过程来说就变得困难且不经济，更重要的是，加工空间难以满足要求，对于支撑结构设计挑战巨大。

2）残余螺栓掏空过程和螺纹整体扩孔修复的功能集成分析

二者从运动角度分析，均有主轴的旋转运动、垂直运动和水平运动，并且均有精度需求，同时工位基本吻合，只是具体工艺、刀具和内在算法有差异，因此具备集成条件。

综上所述，选择集成掏空和螺纹整体扩修功能。

3）自动排屑功能的集成分析

项目实施过程中，均会产生铁屑。由于施工对象为反应堆压力容器，固有严格的引入异物要求。同时铁屑因活化或表面沾污很可能本身也是源项，需要进行收集和控制。如进行人工收集，首先必然严重影响工作效率；其次人员参与过程一方面增加辐照剂量，还有外沾污和内吸入的风险。因此最优的做法是集成功能由设备自动完成，具体方案如图2 所示。

图2 固废自动排出结构示意图Fig.2 The schematic of automatic discharge of solid wastes

螺栓切割装置主要依靠护罩将铁屑控制在内腔范围内，利用铁屑被切断瞬间的动能和工业真空装置产生的真空将铁屑排出。

残余螺栓取出&主螺孔扩修一体机的排屑过程要相对复杂，首先需要水平运动和垂直运动至加工表面，垂直运动通过电机实现，水平运动通过摆动气缸实现，同时到达指定工位后还需要通过搅混使得铁屑便于吸出，该功能同样由摆动气缸实现。

（2）辐射防护控制分析

根据2.1 节分析，结合辐射防护的工程实践，主要从以下四个方面开展工作。

1）时间控制：提高系统设备工作效率、减少换设备换刀具次数，降低安装和调整难度，有效缩短工作时间，减少人员的受照射剂量。

2）源项控制：采用无冷却、无润滑技术加工，做到无受到污染的放射性废液排出。

3）屏蔽防护：实现了固体废物的隔离和自动收集，降低污染风险。

4）距离防护：采用远程控制，减少近端人员工作参与度，人员可在20 m 平台进行监控和操作。

3.3 工艺路线

通过以上分析，确定本项目实施的工艺路线为：

圆盘锯铣切割—高速平面高速铣削掏空—手工取丝—螺孔检查和测量，如有必要通过旋风铣削方法开展整体螺纹扩孔修复。

4 设备开发

4.1 主要设计接口

反应堆压力容器主螺栓总长约为1 972 mm，拟切割部位直径约为φ149.5 mm，与螺栓孔接触部分螺纹为M155 × 4-3e4e sp，芯部通孔直径为(φ25±0.15) mm。主螺栓孔螺纹为M155 × 4-5H4H sp。相关材质如表5 所示[8]。

表5 螺栓螺孔主要材料参数Table 5 Main material parameters of the bolt screw hole

现场设备安装尺寸接口须满足屏蔽顶盖已经就位的空间需求。

4.2 主要设计参数

针对设计接口和设备功能要求，开展驱动及刀具选型计算，获得系统设备的主要设计参数。

（1）螺栓切割装置

1）进给速度：3～3 000 mm/min；

2）进给移动范围：0～200 mm；

3）螺栓切割工作时间75 min。

（2）残余螺栓取出和扩孔修复设备

1）四轴联动六自由度；

2）X、Y、Z向进给最大速度：6 000 mm/min；

3）X、Y、Z向进给移动范围：X、Y向：0～160 mm，Z向：0～400 mm；

4）定位精度：0.012 mm；

5）残余螺栓取出工作时间280 min；

6）螺孔扩孔修复精度4H5H，粗糙度Ra1.6；

7）无冷却润滑加工，无废液排出；

8）远程监控；

9）固废的自动收集；

4.3 设备组成和功能原理

本项目研制的设备包括：螺栓切割装置，残余螺栓取出和扩孔修复设备，螺孔梳理装置，螺孔局部铣削装置和配套的电气柜、操作台、远程控制台、吸屑装置等，如图3 所示。

图3 设备实物图Fig.3 The picture of equipment

（1）螺栓切割装置

执行模块：大尺寸圆盘锯铣削去除材料原理；

动作模块：主轴旋转，单向进给；

吸屑模块：真空负压。

（2）残余螺栓取出和扩孔修复设备

执行模块：螺旋插补和旋风铣削去除材料原理；

动作模块：4 轴联动，6 自由度；

吸屑模块：真空负压，摆动吸屑，固废自动收集；

视觉模块：补光、可视化和远程监控。

4.4 主要工作过程

（1）设备利用相邻螺孔进行安装和初定位。

（2）卡涩螺栓取出

1）通过铣削去除材料的原理切割螺栓至法兰面；

2）通过螺旋插补原理加工残余螺栓至螺栓小径；

3）将加工后的残余部分通过卷丝的方式取出。

（3）损伤评估和螺孔修复

1）螺孔出现轻微扭曲、积屑坍塌等缺陷应用便携式梳理装置通过不除去凸出母体材料的方式，刀具紧贴原螺纹，沿原螺纹轮廓线进行走刀的方式去除；

2）螺孔出现局部小范围不可逆的缺陷采用便携式铣削装置定位至缺陷位置将缺陷通过铣削的方式切除；

3）螺孔出现较大范围不可逆的缺陷首先通过红外高精度测量系统测量原螺纹轮廓情况；而后采用四轴联动六自由度的扩孔处理设备通过旋风铣削原理扩螺纹孔修复原螺孔。

具体工作过程如图4 所示。

图4 工作过程图Fig.4 The working process

5 测试检验及试验验证

5.1 测试检验

针对残余螺栓取出和螺孔整体扩修装置，开展了几何精度和位置度检测，检测结果高于标准[9,10]，达到设计要求，具备现场使用条件。

5.2 试验验证

设备完成调试后，根据国内某电站实际模拟试验的实施过程，结合新设备研制的具体要求，主要试验项目类别如下：

（1）参照标准及相关技术要求开展设备的功能测试和参数测定[9,10]。

（2）模拟现场卡涩完整过程处理，试验在模拟体上进行，模拟体模拟现场的空间位置和尺寸，同时模拟体的材料特征与现场采用同等技术要求。

经过实际试验测试，获得设备主要参数及与同类设备的对比如表6 所示。

表6 主要参数对比Table 6 Comparison of main parameters

6 结论

本课题基于M310 压水堆型的压力容器开发，经过测试和试验，可以满足新建核电站和在运电站的主螺栓卡涩处理和螺孔修复的实际需求。

本项目研制的产品为核电厂重要设备的安全提供强有力的设备支撑和保障，对于提升核电厂运维技术水平具有重要意义，在电站出现类似事件时，可减少遭受重大经济损失的可能性，同时兼顾放射性物质源项控制和减少人员的受辐射剂量，潜在的供方广泛，具有巨大的经济、社会效益和环境效益。

本项目研发产品经适应性改进即可用于其它堆型核电厂压力容器以及其它电力、船舶、石化等行业大型容器现场出现类似问题的处理。