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核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨

螺栓张紧因其控制精度高、效率高、操作方便、螺纹安全等特点,广泛应用于国内外许多主流反应堆类型的核电站,如M310、EPR、VVER、AP/CAP和HPR 1000等。

核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨(图1)

在核电站建设和维护阶段,动静机械设备的基础固定螺栓和法兰连接螺栓的安装和拆卸中起着不可缺少的作用。随着螺栓拉伸器的发展和升级,螺栓拉伸技术越来越成熟。目前,它已成为螺栓预警不可替代的手段。

但是,在核电站的安装和维护阶段,机械设备的固定螺栓和法兰连接螺栓仍然会卡住,损坏甚至磨损。这种情况可能会造成螺栓和螺栓孔的损坏,需要额外的维修和返工费用,施工周期会延迟,也可能造成螺栓和螺栓孔报废,甚至影响设备和法兰的主要功能,造成更严重的经济损失甚至核安全事故。

核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨(图2)

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核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨(图3)

本文通过现场螺栓拉紧划伤的实际处置手段经验,分析了核电站安装维护阶段常见的螺栓划伤因素,并针对性地定义了相应的控制手段,从而降低了螺栓划伤的概率,进而降低安装维护阶段的额外成本甚至核安全事故的发生概率。

螺栓拉力预紧法广泛应用于许多主流压水堆类型的核电站在运行和在建的安装和维护阶段,如M310/EPR、VVER、AP/CAP、华龙一号等未来第四代主流核电站,如高温气冷堆、 熔盐冷却堆、钠冷堆等,处于实验建设阶段。

螺栓张紧的预紧方法操作方便,张紧精度高,不损坏螺纹,不受操作空间和环境的影响。螺栓拉伸器可以单独使用,也可以成组使用。可以并联使用多个张紧器,不仅可以提高工作效率,还可以保证多个螺栓上力的均匀性,这在高压密封的法兰连接中尤为重要。

核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨(图4)

螺栓拉伸器由于其结构简单、便于携带和连接、操作方便、操作简单等原因,容易被忽视。一方面,在螺栓张紧过程中,螺栓拉伸器被法兰,螺母和螺栓堵塞,这不容易被发现,特别是在使用平行螺栓拉伸器的过程中。

一旦螺栓拉伸器被螺栓、螺母或法兰表面卡住,由于其超高压和超高张力,很容易引起油管开裂、螺纹断裂甚至螺栓断裂,进而导致螺栓拉伸器滑落。操作员和主管很容易被物体和机械伤害击中,因为他们无法避免。

核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨(图5)
核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨(图6)

另一方面,由于螺栓、螺母和螺栓孔的材料、清洁度、操作环境、制造公差等诸多因素的影响,经过一次或多次张紧后,螺纹损坏甚至粘合断裂,导致螺栓卡在螺栓孔中或螺母卡在螺栓上, 这往往是高压密封法兰连接的灾难性事故。螺栓和螺纹孔螺纹会损坏,需要返工和维修,会影响工期。严重时,螺栓、螺母、螺栓孔会报废,严重影响工期,留下严重的安全隐患。

某核电站M310压水堆机组安装过程中,反应堆冷却剂泵侧支撑液压阻尼锚座的地脚螺栓被张紧。发现,分数张紧后(最大张紧扭矩的20%、60%和100%处的张紧锁定三次+最大张紧扭矩的100%处的一次性张紧验证,通过液压表读数转换张紧扭矩)。

在最大张紧扭矩达到60%后,一些锚固螺母的拧紧阻力变大, 当最大张紧扭矩达到约69%时,螺母无法旋转。随即对现场支撑三回路反应堆冷却剂泵横向支撑的液压阻尼锚座的所有地脚螺栓进行了拉伸验证,发现大部分地脚螺栓的地脚螺母在达到最大拉力矩的69%左右后“咬合”。

核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨(图7)

首先,假设螺栓拉伸器的行程不符合现场地脚螺栓的安装,地脚螺母干扰螺栓拉伸器的内壁,摩擦力太大而无法旋转螺母。立即进行了现场验证。地脚螺母涂上油脂后,再次张紧后仍“锁紧”,拆下螺栓张紧器后,内壁未粘有润滑脂。因此,否定了锚螺母干扰螺栓张紧器内壁的猜想,并考虑了螺栓和螺母本身的问题。

然后,查阅制造商的完成文件,并安排制造商的人员重新检查地脚螺栓和螺母上的不合格仪表。制造商人员使用环螺纹不合格量规,地脚螺栓公差代码为 6h,圆柱螺纹去不通量规,地脚螺母公差代码为 6h。由于地脚螺栓和螺母表面有磷涂层,部分不合格量规检测结果不合格。同时,通过与设计文件对比发现,地脚螺栓和螺母使用的公差区不符合设计文件中地脚螺栓6h和螺母7h的匹配要求。

核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨(图8)

因此,确定这次反应堆冷却剂泵侧向支撑的地脚螺栓和螺母“划伤”的主要原因是制造商错误地脚螺栓和螺母公差区。同时,厂家对去不去量规的检查时间是在地脚螺栓和螺母磷化之前,去脚螺栓和螺母的去不去规在磷化后不复检。随后,地脚螺栓和螺母按工艺返回工厂,最终成功完成反应堆冷却剂泵侧向支撑地脚螺栓的拉伸工作。

在某核电站M310压水堆机组安装维修过程中蒸汽发生器一次二次侧检查孔和增压器检查孔的地脚螺栓张紧过程中,总结出影响地脚螺栓张紧安全的主要方面如下:

一是清洁度控制。如果法兰表面地脚螺栓孔的内螺纹、地脚螺栓的外螺纹或螺母的内螺纹表面有毛刺、铁屑、铁屑、铁锈或小夹渣,它们在拧紧螺纹过程中会卷入螺纹连接副中,然后挤入内外螺纹连接螺纹, 增加局部内外螺纹之间的相对摩擦,并在螺纹之间的力、高温、振动等条件下引起局部螺纹卡住,甚至粘合,导致地脚螺栓和螺母“咬合”。

核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨(图9)

二是相对合作关系的控制。蒸汽发生器一次侧和二次侧检查孔所用的地脚螺栓孔、地脚螺栓和螺母以及增压器的检查孔用钢密封铭文密封,以确保在安装和调试阶段的拆卸和装配过程中,地脚螺栓孔、地脚螺栓和螺母一起使用。经过多次连接、协调和拉紧,在试验和运行阶段的高温条件下,地脚螺栓孔地脚螺栓和螺母的内外螺纹相互挤压和磨合,连接副稳定,避免了内螺纹和外螺纹匹配关系造成的地脚螺栓和螺母的“划伤”。

第三,防止滥用“咬死”药剂。为了防止地脚螺栓和螺母卡住,在核电站的安装和调试过程中将使用二硫化钼和N5000等防“卡”剂。正确使用防咬合剂,在一定程度上降低了地脚螺栓和螺母“卡住”的风险。但是,由于蒸汽发生器和增压器在实验和运行过程中内部介质高温高压的特点,错误使用不耐高温的防咬合剂会导致地脚螺栓和螺母“卡死”。

核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨(图10)

四是操作方法不当。地脚螺栓和螺母的正确安装方法是手动安装和拧紧地脚螺栓和螺母。如果手动拧紧失败,请立即停止拧紧并拆下地脚螺栓和螺母进行检查。在核电站的安装和调试过程中,为了追求进度,许多施工人员会通过增加扭矩来拧紧地脚螺栓和螺母,特别是当地脚螺栓和螺母拧紧和卡住时,增加拧紧力,加长力臂,这将大大增加地脚螺栓和螺母“咬合”的风险。

第五,张紧工具选择不当。螺栓张紧工具分为单型和平行型,使用平行螺栓张紧机时应特别注意。螺栓孔在法兰表面上的相对位置偏差和平行螺栓拉伸器的制造误差将导致平行螺栓拉伸器与地脚螺栓和螺母卡住,进而导致地脚螺栓在螺栓孔中倾斜,地脚螺栓与蒸汽发生器一次和二次侧或密封盖板上的检查孔卡住加压器的检查孔。如果操作人员未检查到位,继续完成张紧,地脚螺栓螺母“卡死”的风险很高。

核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨(图11)

首先,为了防止核电站安装维护阶段螺栓张紧的设计偏差,技术人员在准备方案时需要仔细识别上游文件。对于需要张紧的地脚螺栓和螺母,特别是直径较大的螺栓和螺母,需要检查设计师选择的公差区,以避免因设计偏差引起的地脚螺栓和螺母的“咬合”事件。

其次,在核电站的安装和维护阶段,应在现场施工前对螺纹孔、地脚螺栓和螺母进行合规验收。如发现螺纹孔、地脚螺栓、螺母制造偏差严重,应及时报告,并按有关程序进行维修、返工或报废。同时,应检查螺纹孔,地脚螺栓和螺母的材料。如有“扣押”风险,应及时开启相应流程进行处理。

核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨(图12)
核电厂安装维护阶段常见螺栓划伤因素及控制措施探讨(图13)

在消除核电站安装维护过程中现场设计偏差和制造偏差这两个不可控的“咬合”因素后,应主要从施工人员的规范操作入手,确保降低核电站安装维护过程中人为因素造成的地脚螺栓和螺母“咬”的概率。

要对进行地脚螺栓、螺母张紧操作的施工人员进行必要的岗前培训和岗前公开,在地脚螺栓、螺母张紧过程中进行必要的检查,以减少核电站安装维护过程中人为因素造成的地脚螺栓、螺母“咬合”。

参考文献:

【1】建伟:核电机组主蒸汽隔离阀螺栓划伤原因分析及解决浙江工业大学

【2】谢军:螺栓划伤原因分析及预防措施。科技创新.13,173–174

【3】施勇:某核电站反应堆压力容器法兰螺栓划伤处理研究中小企业技术

【4】Sangf,G.:钻井技术在反应堆螺栓划伤处理中的应用。设备管理

【5】胡明明,魏忠,罗强,李旺夫:核电机组二次回路主蒸汽隔离阀螺栓“划伤”的原因分析.中国核电


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