反應堆壓力容器主螺栓卡澀因素分析及預防措施

季彥衛

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢 430223）

0 引言

反應堆壓力容器是核電站反應堆冷卻劑系統的重要壓力邊界，是核電站的核心設備[1]。主螺栓是連接壓力容器及其頂蓋的重要部件，為避免放射性物質外泄，保障一回路壓力邊界完整性有著重要作用，所以正確安裝主螺栓對核電站的正常運行有著重大影響。

某壓水堆核電廠壓力容器主螺栓為核安全級部件，按照相應規范標準進行設計，本體為雙頭螺柱結構，下端螺紋旋入主螺栓孔內，上部螺紋通過主螺母與壓力容器筒體結合，且加工制造精度要求較高。正常情況下主螺栓與螺栓孔有一定的配合間隙，螺紋表面粗糙度（Ra1.6），主螺栓拉伸過程中主螺栓與螺母之間不承受剪切力，有效避免了主螺栓與螺母卡澀的情況。由于在主螺栓裝配過程中會受到螺紋磨損和缺陷、潤滑和防咬及裝配工藝控制等因素影響，仍會出現卡澀情況。

1 導致主螺栓卡澀的主要因素

壓力容器主螺栓卡澀主要發生在主螺栓與螺栓孔配合的螺紋段，結合現場檢修經驗及國內外相關案例經驗反饋分析，導致主螺栓卡澀的因素主要有螺紋磨損和缺陷、潤滑和防咬、主螺栓拆裝工藝等。

1.1 螺紋磨損和缺陷

主螺栓、螺母和螺孔的螺紋表面在制造加工過程中存在局部的微小缺陷，當主螺栓經過多次拆裝操作后，螺紋會發生磨損，造成螺紋副配合精度出現偏差，表面缺陷也逐漸惡化。螺紋表面缺陷未及時修復，且主螺栓旋入工藝控制不當，可能使螺紋表面凹坑或毛刺等劃傷正常螺紋并產生鐵屑，引起主螺栓卡澀。

1.2 潤滑和防咬

目前運行核電廠在主螺栓裝配前一般會在主螺栓、螺母和螺孔的螺紋處涂抹N5000防咬劑。在經過一次運行周期后，防咬劑在高溫條件下會固化和老化，涂抹不合適或過量的防咬劑也有可能會導致主螺栓拆卸困難、影響其順利拆卸。因此，對主螺栓、螺母和螺孔的螺紋部分涂抹均勻、適當的防咬劑極為重要。

1.3 主螺栓拆裝工藝

主螺栓在裝配過程中有著具體的要求，比如螺紋表面清潔、平衡力、主螺栓對中、旋擰力矩和速度、螺紋起始扣嚙合等，這些因素控制不當將直接降低裝配質量，引起主螺栓卡澀[2]。

螺紋上的防咬劑經過一次運行周期后固化粘連在螺紋表面，若防咬劑清洗不徹底將變成異物，增大螺紋副之間的摩擦因數，易使主螺栓發生卡澀。在主螺栓與螺孔起始扣嚙合過程中因為主螺栓未完全對中或發生碰撞，都容易損傷螺紋。主螺栓拆裝過程中若力矩使用不當、平衡力設定不足、轉速設置過快，均會增加螺紋副的摩擦力，進而造成卡澀。

2 主螺栓卡澀預防措施

鑒于以上影響因素，實際工作中每次裝配前對螺紋清洗、檢查、潤滑、旋入、拉伸加載等一系列完整操作，確保每個裝配環節安全可靠。同時，對主螺栓旋入和旋出均制定了嚴格的操作程序，對螺紋進行清洗和防咬處理、螺紋首扣嚙合速度控制、螺栓平衡力設定、旋擰力矩限制等要點進行嚴格把控，任何一個因素控制不當將直接降低裝配質量，增加發生主螺栓卡澀的風險。

2.1 螺紋清洗和防咬處理

主螺栓裝配前需對主螺栓、主螺母和螺栓孔螺紋表面進行徹底清洗，主要去除螺紋表面固化的防咬劑和其他雜質，螺紋清洗采取機洗為主、手洗補充的方式：機洗去除螺紋表面固化的防咬劑和其他雜質，手洗采用尼龍刷或者鋼絲刷去除螺紋表面和牙底頑固雜質。清洗劑選用綠色標簽的環保型機械設備清洗劑，禁止使用酸性溶劑以免破壞螺栓磷化膜。

2.2 螺紋首扣嚙合控制

主螺栓與螺栓孔首扣螺紋嚙合是主螺栓拆裝工藝的關鍵步驟，操作不當極易引起螺栓旋入時發生螺栓卡澀或者螺紋損傷。操作人員通過控制堆頂葫蘆下降主螺栓，首扣嚙合過程中螺栓平衡力設定應小于螺栓螺母總重，以免引起螺栓在首扣嚙合時發生上下攛動，采取點動下降葫蘆吊鉤方式下降主螺栓，主螺栓旋入工具設置慢速旋入。

為使主螺栓在首扣嚙合過程中保持豎直，采取嚴格的檢查和預防措施，保證螺栓豎直對中。檢查彈簧平衡器重心是否偏離，如果發生偏離第一時間更換彈簧平衡器。觀察彈簧平衡器讀數，逆時針慢速旋轉主螺栓，聽到螺栓與螺栓孔配合的聲音后順時針旋入主螺栓。

2.3 主螺栓拆裝力矩設置

主螺栓旋擰過程中，除了控制平衡力，還要嚴格監視旋擰扭矩的變化，當扭矩變化超過一定值時要立即停止旋擰，分析原因，及時采取措施，避免主螺栓發生卡澀。對于主螺栓旋入過程中的力矩限值，國內外核電廠和反應堆壓力容器制造廠只有經驗數值，而沒有理論計算的準確參數。

主螺栓旋入螺栓孔時，可將主螺栓視作滑塊，作用于主螺栓各圈上的分布力簡化為作用于滑塊上的集中力Q。旋入主螺栓時，相當于滑塊在水平驅動力F推動下沿螺紋表面勻速向下移動。將螺栓孔螺紋沿中徑展開，則相當于滑塊沿著斜面勻速向下移動。此時，滑塊受到的摩擦力FN沿斜面向上，法向反作用力為N，將N與FN合成為R，則R稱為斜面對滑塊的總反力，N與R之間的夾角ρ為摩擦角（圖1）。

圖1 主螺栓旋入時螺紋副受力分析

主螺栓和螺栓孔的螺紋規格分別為7.000″-4UN-2A和7.000″-4UN-2B，主螺栓螺紋中徑d2=173.416 mm，螺距升角ψ=arctan=，主螺栓連同螺母和墊圈自重的1/2，即=340÷2×9.8=1666 N；摩擦因數f=0.15；摩擦角ρ=arctan f=artan0.15=8.53°。

由于滑塊勻速運動，所以作用于滑塊上的Q、R及F三力處于平衡狀態，組成封閉的力多邊形，R與Q的夾角為ρ-ψ，故F=Q tan（ρ-ψ）。

則勻速向下旋轉主螺栓所需的力矩T1為：

同理，當主螺栓旋出螺栓孔時，采用如上計算方法相當于滑塊在水平驅動力F推動下沿螺紋表面勻速向上移動（圖2）。作用于滑塊上的Q、R及F三種力處于平衡狀態，組成封閉的力多邊形，R與Q的夾角為ρ+ψ，故F=Q tan（ρ+ψ），則勻速向上旋轉主螺栓所需的力矩T2為：

圖2 主螺栓旋出時螺紋副受力分析

由于實際工作過程中堆頂葫蘆的控制可能不到位，導致主螺栓和螺母全部重量坐落在螺栓孔上，按以上計算公式，旋入力矩T3=T1×2=40.0 N·m，旋出力矩T4=T2×2=46.6 N·m。取2倍的正常旋擰力矩作為旋擰力矩限值，則旋入力矩限制T旋入限制=T3×2=80.0 N·m、旋出力矩限制T旋出限制=T4×2=93.2 N·m。

通過理論分析，將主螺栓在平衡力設定為螺栓和螺母自重1/2的情況下，正常旋入力矩應為19.9 N·m，最大旋入力矩不超過80 N·m；正常旋出力矩應為23.3 N·m，最大旋出力矩不超過93.2 N·m。螺栓旋擰過程若出現力矩超過最大限值，應立即停止操作，分析導致螺栓旋擰力矩增大的原因，采取相應措施。

2.4 平衡力設定

主螺栓旋入和旋出過程中，都會用載荷平衡裝置，平衡掉主螺栓一部分重量，降低旋擰力矩。目前國內外核電廠對于平衡力設定值都沒有一個統一的標準。國內某核電廠的平衡力為整個主螺栓、螺母和墊圈重量。另有部分核電廠只提到讓平衡力帶載，沒明確具體的平衡力數值。國外某核電廠將平衡力設定為主螺栓重量的1/2。

根據上述力矩計算公式，平衡力越大，則主螺栓旋擰力矩越小。若平衡力為主螺栓、螺母與墊圈重量的一半，則主螺栓正常旋入力矩為19.9 N·m，正常旋出力矩為23.4 N·m。理論上平衡力越接近主螺栓、螺母與墊圈重量，則旋擰力矩越小。

（1）如果平衡力設定為主螺栓、螺母與墊圈總重量1/2，螺紋副接觸面為內螺紋螺牙上側面與外螺紋螺牙下側面，螺紋副之間作用力當螺紋表面有凹坑、毛刺、凸起等缺陷時，螺紋副之間作用力增大，隨著主螺栓微量向上竄動，平衡力降低、旋入力矩增大，容易出現卡澀現象。

（2）如果平衡力設定為略小于主螺栓、螺母與墊圈總重量，螺紋副接觸面為內螺紋螺牙上側面與外螺紋螺牙下側面。隨著主螺栓的旋入，彈簧平衡器被拉長，如果不及時下降平衡器高度則平衡力將超過主螺栓、螺母與墊圈的總重量，此時螺紋副接觸面為內螺紋螺牙下側面與外螺紋螺牙上側面。堆頂葫蘆不能完全同步跟隨主螺栓的下降，螺紋副接觸面時刻處于上下竄動中，增加螺紋之間的撞擊，容易損壞螺紋。

（3）如果平衡力設定為略大于主螺栓、螺母與墊圈總重量，螺紋副接觸面為內螺紋螺牙下側面與外螺紋螺牙上側面。隨著主螺栓的旋入，平衡器被拉長，即使沒有及時調整堆頂葫蘆，平衡器載荷始終大于主螺栓、螺母與墊圈總重量，螺紋副接觸面不會上下變化，螺紋旋入過程穩定。

根據上述情況下主螺栓旋入過程的分析，平衡力略大于主螺栓、螺母與墊圈總重量時旋入過程更加平穩可靠。

3 總結

主螺栓裝配過程的任意一個環節都可能引起卡澀事件發生。其中，螺紋缺陷、螺紋清潔度及螺栓拆裝工藝是影響反應堆主螺栓卡澀的主要因素，通過理論計算和分析得出針對某核電廠主螺栓的正常旋擰力矩、傾斜角對螺紋間隙的影響、平衡力設定值、初始扣嚙合控制，在裝配前進行恰當的清洗、檢查和潤滑，指導主螺栓裝配操作，才能有效避免主螺栓卡澀事件的發生。