反应堆压力容器主螺栓螺母拆装技术应用

摘要：反应堆压力容器是整个核电站的核心设备，主螺栓和螺母是连接RPV容器法兰和顶盖的重要部件，研究了反应堆压力容器主螺栓和螺母的拆、装技术，根据研究结果设计了拆装工具并进行了应用，该拆装工具提高了主螺栓和主螺母的拆、装效率，有效降低了操作人员的劳动强度。

关键词：反应堆压力容器；主螺栓；主螺母；拆装技术

引言

反应堆压力容器（RPV）是反应堆一回路冷却剂系统的重要承压边界，是整个核电站的核心设备[1]。主螺栓是连接RPV容器法兰和顶盖的重要部件，其在避免核放射性物质外逸、保障RPV正常工作方面起着重要作用[2]，为了确保其处于良好的工作状况，在换料与检修的过程中需要对压力容器的主螺栓进行正常拆卸[3]，需要把主螺母从主螺栓上拆除，对主螺栓和螺母进行清洗和检查，清洗、检查完成后再将主螺母预装到主螺栓上。目前国内多数核电厂主螺栓螺母的拆装主要都是手工拆装，操作人员劳动强度大、效率低、占用的大修时间长。为了提高主螺栓螺母的拆装效率、降低操作人员劳动强度、节省大修时间，研究了主螺栓螺母的拆装技术，并得到了应用。

1问题分析

1.1现有方案介绍

反应堆压力容器主螺栓和螺母从反应堆压力容器上拆下后的状态如图1和图2所示。主螺母和垫片之间通过螺钉和固定夹连接在一起，然后整体装在主螺栓上。整个主螺栓螺母组件竖直或水平放在专用存放架上，然后通过人工手动或在螺母上缠绕吊带，通过拉吊带驱动螺母组件旋转的方式将主螺母和垫片一起拆下来，然后将主螺栓螺母放在清洗机内进行清洗并对其进行检查。主螺栓和主螺母清洗完成，经检查主螺栓和主螺母满足回装条件后，通过人工手动的方式将主螺母组件回装到主螺栓上。

1.2现有方案不足分析

单个螺母组件约有30kg，经过现场反馈及实际测试，通过人工手动的方式将主螺母组件从主螺栓上拆下或回装到主螺栓上。2人同时配合工作拆卸或回装1个螺母组件大约需要4min。以国内百万千瓦机组为例，每个机组有56组主螺栓螺母，完全靠人工手动操作，工作量大，操作人员劳动强度很大，效率比较低，占用时间长，不利于缩短核电大修工期。

1.3创新方案设想

针对主螺栓螺母在拆装的过程中可能水平或竖直放置，开发1套电动拆装工具，利用该工具完成主螺栓螺母的拆卸和回装，替代现有人工手动拆、装主螺母组件的方式，降低操作人员劳动强度、提高效率。

2现场工作条件及设计要求

2.1螺栓螺母拆装技术条件

（1）工作环境。-20℃~+50℃；环境湿度：100%；辐照水平：需要监测（必要时做好防护）。（2）现场操作条件。电源：380V/220V，50Hz；主螺栓存放状态：竖直或水平放置在专用存放架上。

2.2设计要求

主螺栓螺母拆装要求拆装工具结构简单、布局合理，现场操作方便，能够单人操作；拆装效率高，完成1个主螺母组件拆除或回装的时间≤2min，取代传统的通过在螺母上缠绕吊带的方式拆装螺母。

3螺母拆装工具设计

3.1设计目标

（1）功能目标。主螺栓螺母拆装工具能方便、可靠的安装在螺母上；工具安装后能够可靠地定位；工具安装、定位后能够实现对主螺栓螺母的快速拆装，单个螺母组件拆除或回装时间≤2min；螺母拆装工具具有转速调节功能；工具安装、定位及工作的过程中不能损伤主螺栓螺母。（2）性能目标。主螺栓螺母拆装工具能够拆或安装单个目所需时间≤2min；工具的重量≤10kg，方便单人操作。

3.2设计方案

主螺栓螺母拆装工具能够替代现场操作人员通过手或在螺母上缠绕吊带通过拉吊带的方式带动螺母旋转的方式拆装螺母。主螺栓螺母拆装工具主要由基座、转动环、拨齿、齿轮箱、电动扳手、蓄电池和操作手柄等组成。主螺栓螺母拆装工具结构如图3所示。工具总体结构为圆环形结构，工作中以电动扳手为螺母拆装工具提供转动力矩。基座为圆环形结构；基座内安装有转动环，转动环的大小与主螺母的外部尺寸相匹配；转动环上，安装有3个拨齿，3个拨齿的分布接近均匀分布，但具体角度以主螺母外部齿轮结构上的轮齿分布为准；基座上设计有齿轮箱，电动扳手固定在齿轮箱上，齿轮箱将电动扳手输出的扭矩传递给转动环，带动转动环转动。电动扳手选择最大输出扭矩为14N•m的恒扭矩电动扳手，电动扳手上的开关按钮控制电动扳手的转动，通过调整电动扳手的正反转实现螺母拆装工具的正反转。通过调节电动扳手的转速，实现螺母拆装工具的转速调节；通过调节电动扳手的输出力矩实现螺母拆装工具力矩的调节。方案中电动扳手通过蓄电池供电，可避免现场工作中工具拖线的麻烦。工具套在主螺母上，拨齿与主螺母外面的齿轮相啮合，同时拨齿上设计有1个轴向定位机构，使工具套在主螺母上以后能够与螺母组件的端面保持贴合，通过拨齿与主螺母外面齿轮结构的啮合及与螺母端面的贴合即可实现工具的定位。工具在主螺母上完成安装定位后，操作人员一手操作电动扳手，通过电动扳手带动螺母的旋转；另一只手握住操作手柄，保持工具工作时的稳定，同时提供拆螺母过程中所需要的反作用力矩。基座上设计有2个操作手柄安装孔，可根据现场操作环境和个人操作习惯选择操作手柄的安装位置。

3.3设计计算

3.3.1主螺母拆装扭矩计算主螺母拆、装时主螺栓处于竖直状态，拆、装的过程中需要克服螺纹副之间的摩擦力所产生的力矩。为了保证所选电动扳手的输出扭矩能够满足主螺母的拆、装需要，需对螺母拆、装所需的力矩进行校核计算。以M155×4mm的螺母为研究对象进行设计（图4），螺母组件的重量约为30kg，螺母拆、装过程中无预紧力，只有螺母组件自身的重力，因此F=300N，螺纹中径向d2=152mm，螺纹升角λ=0.47°，螺纹摩擦角ρv=6.585~13°（f为摩擦因数，无润滑时f≈0.1~0.2）。Фmin=154.456。主螺母拆装过程中所需的扭矩为：取T1=5.45N•m，安全系数s=2，则设计中取T=2T1=10.9N•m

3.3.2拆装时间计算主螺母与主螺栓的旋合段长度约为175mm（螺栓螺纹段总长210mm，减去垫圈厚度），该段螺纹规格为M155×4mm，在拆卸螺母的过程中，螺母每转1圈就上升1个螺距的长度，即主螺母上升速度为4mm/r。电动扳手输出转速为300r/min，通过变速箱后传递到转动环的转速为60r/min，螺母上升直线速度为60r/min×4mm/r=240mm/min，理论上螺母完全脱离螺纹段所需时间为：175/240=0.73min=43.75s。

4试验验证

为了验证主螺栓螺母拆装工具的设计、制造能够满足现场主螺栓螺母拆装的需要，在主螺栓螺母1∶1的模拟体上，对主螺母拆装工具进行反复拆、装试验（图5）。试验结果表明，主螺栓螺母拆装工具能够方便、可靠地在主螺母上安装定位；通过调整电动扳手的旋转方向可以实现拆装工具的正反转，拆、装螺母的过程中未出现力矩不足的现象；将一颗螺母组件从主螺栓上拆下或安装到主螺栓上，约需要45s。主螺母拆、装的过程中未出现损坏主螺栓螺母的情况。

5结束语

针对反应堆压力容器主螺栓螺母清洗前后主螺母拆装的需求，设计了主螺栓螺母的拆装工具，对拆装螺母所需扭矩和时间等进行了计算，通过试验验证主螺栓螺母拆装工具，能够实现主螺母组件在主螺栓上的快速拆、装，为降低操作人员劳动强度、节省大修时间提供了支持。

参考文献

［1］周高斌，罗英，邱天，等.反应堆压力容器螺栓法兰连接设计与改进［J］.压力容器，2014，31（3）：70－76．

［2］马官兵，肖学柱，袁书现.反应堆压力容器主螺栓超声波检测技术［J］.无损检测，2010，32（10）：770－772．

［3］褚福国，隋炳利，黄海英.核反应堆压力容器螺栓拉伸机设计初探［J］.一重技术，2001（2）：38-40.

［4］机械设计手册编委会.机械设计手册•第2卷［M］.北京：机械工业出版社，2014．

作者：杜林宝 胡卉桦 冷慧玲 李彦宾 单位：中核武汉核电运行技术股份有限公司