CRDM耐压壳顶部螺母咬死分析与处理

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　　摘 要
　　秦山320MWe机组控制棒驱动机构耐压壳部件在大修检查时，发现圆螺母经常出现咬死故障，容易引起耐压壳本体损伤，导致大修作业的延误，具有极大的安全风险。本文针对该故障现象，介绍了耐压壳部件的相关结构组成，对导致螺母咬死的原因进行分析和讨论，并制定了处理措施，解决个别螺母完全咬死的问题，通过研发可行的专用工具，分别处理咬死螺母的拆卸和损伤螺纹修复两个难点问题，并对耐压壳部件进行改进，增加专用石墨垫片，优化螺母结构，减少咬死概率。通过该问题的成功处理，避免了耐压壳本体的损伤风险，保证了设备的安全可靠性，为其它类似结构的处理提供了维修借鉴和经验，值得采用和推广。
　　关键词
　　耐压壳;螺母咬死;专用工具;改进
　　中图分类号： TL351.5                     文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 36
　　Abstract
　　When inspect the CRDM Pressure Housing Assembly during the overhaul of Qinshan 320MWe unit， found that round nuts frequently came across nut bite failure， which can easily cause the damage of Pressure Housing Assembly body damage， lead to delay the overhaul work， and have a great safety risk. Focusing on the failure phenomenon， this thesis describes the structure of Pressure Housing Assembly， analyses and discusses the real reason leading to round nut bite failure， and makes the measures to solve the problems of individual nut bite failure， by designing the viable special tools to handle these two difficult issues respectively， which are the removal of seizure nut and the repair of damage thread， and improves the Pressure Housing Assembly by increasing the special graphite gasket，optimizes the structure of nut and reduces the probability of seizure failure. By successfully solving the problems， it can avoid the damage risk of Pressure Housing Assembly body， ensure the safety and reliability of the component， and provide reference and experience for the repair of other similar structures. It is worth using and spreading.
　　Key words
　　Pressure Housing Assembly; Nut bite failure; Special tools; Improvement
　　0 前言
　　控制棒驅动机构（CRDM）是反应堆本体结构的重要组成，用于提升、下降或快插控制棒，从而调节反应堆功率和安全启动、停止反应堆。它是直接影响反应堆正常稳定运行以及安全可靠的关键设备之一。秦山320MWe机组的控制棒驱动机构由5个部件组成：驱动轴部件、钩爪部件、耐压壳部件、磁轭部件和位置指示器部件。其中，耐压壳部件是反应堆一回路系统的压力边界，具有十分重要的密封作用。大修期间，根据需要对棒位指示线圈、磁轭线圈以及顶部放气阀进行检查时，发现拆卸耐压壳顶部的圆螺母时容易出现螺母卡涩、咬死的情况，因设备本体的特殊性和现场作业环境的局限性，导致修复作业的困难，处理过程中极有可能造成耐压壳本体螺纹的不可逆破坏，直接导致大修主线作业的延误，具有极大的安全风险。
　　1 故障机理分析
　　1.1 结构简介
　　耐压壳部件由密封壳、行程套管、锥形放气阀等组成，耐压壳部件是支撑钩爪部件并将钩爪部件和驱动轴部件包容在反应堆内的一个承压部件。耐压壳部件壳体内是一回路冷却剂，其外为反应堆大厅环境。此外，它还支承了磁轭线圈部件和棒位探测器部件，因此，耐压壳部件又是整个驱动机构的支承部件。
　　耐压壳顶部行程套管为螺纹杆结构，咬死问题主要出现在与其配合的三个圆螺母部位。螺纹杆内部中空，放置了一个锥形放气阀，上部依次为缠绕式密封垫、封头盖，并通过上部压紧螺母提供压紧力。其中，锥形放气阀提供一次密封，为安全边界，而上部压紧螺母为压紧装置，对密封垫的二次密封提供压紧作用，为非安全边界。在其下方还有下部压紧螺母和防松螺母，下部压紧螺母用于对棒位探测器提供紧固力，防松螺母则用于防止因长时间的作用导致螺母松脱，两个螺母与螺纹杆啮合的位置也是咬死的常见部位。 　　1.2 故障分析
　　大修发现，CRDM顶部螺母与螺杆螺纹出现卡涩咬死现象比较普遍。耐压壳是控制棒驱动机构的本体结构，一旦造成不可逆损坏，处理技术复杂，难度极大，将造成重大的经济损失。因此，故障的处理必须坚持保守原则，保护耐压壳本体安全，对相对容易更换的螺母进行处理。
　　通过查找设备图纸和相关资料，结合大修期间现场实际情况的分析，对容易诱发故障的因素进行了梳理，得出以下因素：
　　1.2.1 环境因素影响：
　　如表1所示，反应堆运行期间，主系统压力为15.2 MPa，冷却剂出口温度为315.5℃，耐压壳部件长时间承受高温高压的作用，在热胀冷缩的变形影响下，螺纹产生变形，导致螺母与行程套管螺纹啮合过紧，从而产生螺母咬死现象。
　　振动也是导致螺纹变形的关键因素，主要原因是机组功率运行期间驱动轴动作、冷却剂水流冲击以及堆顶风机运行所产生的长时间振动，导致螺纹的相互挤压变形。
　　表1 耐压壳部件设计参数
　　1.2.2 设备结构因素
　　耐压壳顶部螺纹为M42×1.5的细牙螺纹，密封性、自锁性相对粗牙螺纹要好，主要用于定位、调整、固定等用途，适合薄壁的筒形零件，如各种光学仪器中广泛使用细牙螺纹。但是，细牙螺纹不适用于大的受力工作，其耐磨性较差，容易磨损，螺纹容易碰坏，影响安装和拆卸，稍有尺寸误差就可能导致安装时乱扣使得螺杆与螺母同时损坏。
　　耐压壳顶部用于压紧棒位线圈的两个螺母，由于其防松需要，在安装时施加了极大的防松预紧力，在长时间作用下，也容易导致螺纹发生变形。
　　1.2.3 材质影响
　　行程套管直段材质为321不锈钢，而圆螺母材質为1Cr13。不锈钢材质的强度较差，黏性较强，在长时间的影响下，容易导致螺纹变形，并且由于1Cr13的硬度强于321不锈钢，在相互作用下，行程套管相对容易发生损坏，螺纹产生变形，导致螺母咬死。
　　2 问题处理
　　2.1 处理工艺
　　2.1.1 局部咬死情况的处理
　　通过上述原因分析，局部螺母的咬死情况不可避免，因此，采用适合的工艺来解决，是问题处理的关键。
　　耐压壳行程套管直段属于控制棒驱动机构的本体部分，是核级关键设备，一旦出现不可逆损伤情况，更换技术复杂，难度极大，由此产生的损失不仅是修复产生的费用，更多的将是核电厂大修时间的延长、相关技术论证、安全评估等带来的巨大代价。而圆螺母相对更容易更换，在咬死情况下首先保证耐压壳的安全和完整性，采用合适的方式将螺母破除，再对损伤螺纹进行修复处理。
　　（1）咬死圆螺母的拆除。
　　上部压紧螺母厚度为10mm，厚度较大，破切过程中阻力很大，而行程套管螺纹段为中空结构，内部是M20螺纹孔，其抗压和抗变形能力远不如实体螺杆。处理过程中施加较大作用力，将导致螺杆发生塑性变形， 产生不可逆破坏。
　　直接使用螺母破切器去除、切割机切除等常规方法，存在着容易导致空心螺杆变形、易伤害耐压壳本体等问题，风险较大，不建议采用。
　　由于常规方法在拆除螺母上的不足，研发专用工具进行拆除，以不伤害耐压壳螺杆为设计原则，能有效控制风险，兼顾工作效率，减少人员剂量。
　　设计专用保护装置，固定加装在圆螺母上，带有导向保护孔，可实现切除定位、导向和限制误操作。利用电动钻快速将螺母壁厚层钻除，不损伤到螺纹。去除部分壁厚层后，剩余壁厚较薄，容易操作，通过切割片或螺母破切器从薄壁位置继续破开，最后用铲刀将最后的连接部分逐步铲除，最终成功将咬死螺母拆下。现场操作未破坏到螺纹，并且去除咬死圆螺母效率较高。
　　（2）损伤螺纹修复。
　　螺纹修复是问题处理的关键点，如图4所示，损伤螺纹的部分位于三个螺母与耐压壳啮合的位置，如使用常规的板牙工具进行修补，则无法利用中间完好的螺纹进行导向，难以保证螺纹修复效果。
　　考虑螺纹的修复效果，以及现场作业空间的影响，专用工具的设计具备三个原则：
　　A.能利用完好螺纹进行导向;
　　B.能在空间局限的情况下进行操作;
　　C.头部可快速更换。
　　充分考虑这些因素，设计采用分体式结构来实现功能，将螺纹修补工具头部设计成分体结构，分段拼接，安装在完好螺纹上，利用夹紧装置将修复工具头部固定住，并利用圆周方向均布的紧固螺栓对夹紧力进行调整，同时使用垫片调整分段式头部的间隙，使各分段结构受力均匀，这样可保证在螺纹修复时不乱扣，并能充分利用下部完好螺纹进行螺旋线导向，保证螺纹修复效果。
　　同时，考虑顶盖上方设备分布较多且相互之间距离较近，专用工具在修复旋拧操作时不易操作等问题，因此设计可拆装操作工具，在专用工具手柄不易操作时加装，然后利用棘轮扳手进行操作。
　　利用分体式修复工具进行第一遍螺纹修复后，再利用板牙进行精修，保证螺纹修复的平滑性，表面无毛刺，达到修复目标。
　　2.1.2 整体情况改进
　　经过多次大修，发现多组CRDM耐压壳出现过螺纹卡涩现象，问题十分普遍，处理难度大。为减少螺母咬死现象，需采取有效的改进措施，降低螺母咬死概率，从而使整体故障情况得到缓解。
　　考虑耐压壳结构更换流程复杂，细牙螺纹结构以及材质的换型难度大，因此主要针对高温高压、振动环境、防松预紧等对螺母的影响因素进行改进。由于下部压紧螺母与棒位探测器之间、防松螺母与下部压紧螺母之间均无垫片，无弹性余量，导致螺母与螺杆螺纹热胀冷缩或振动冲击时相互螺纹的挤压力过大，产生螺牙的变形，最终导致咬死的现象。
　　改进的重点是提供弹性余量，采用增加垫片的方式，但垫片材质的选择是重点考虑的因素。经过多次分析和讨论，最终选择加装专用石墨垫片的方法。该垫片具有出色的热稳定性，在高温高压环境下不易失效，并且具有良好的抗腐蚀和耐辐照性能，以及良好的压缩回弹性，可以给螺母提供充足的弹性变形空间，减小螺纹挤压力，有效减少螺纹变形。 　　实践证明，通过加装专用石墨垫片，耐压壳顶部螺母咬死故障明显减少，优化措施效果明显。
　　2.2 现场实施
　　2.2.1 风险控制
　　（1）高辐射风险控制：CRDM位于堆顶，受反应堆运行周期的长时间照射，具有较大的辐射性，且具有表面污染性。作业时容易造成人员体表玷污以及高辐射剂量值，对作业人员健康造成危害。
　　（2）異物坠落风险控制：顶盖上方分布37组控制棒驱动机构，相互之间间隙较小，外层由围板包裹，一旦上方作业时异物坠落，处理难度大，不仅造成额外的工作量和大修时间的延误，也会导致不必要的人员辐射，危害人员健康。
　　（3）机械安全风险：维修作业涉及钻孔、切割等机械操作，需做好安全防范措施。工作平台距地面较高，需注意人员高空坠落风险。
　　2.2.2 工作准备
　　针对以上风险分析，做好详细的工前准备，能有效控制并减少安全风险。按照要求在顶盖上方搭建检修工作平台，铺设防异物覆盖物，防止细小铁屑、零件等掉落;在顶盖四周搭建污染隔离区，并在隔离区入口配备辐射防护用品;准备作业所需工器具、耗材、劳保用品等，保证工前准备细致到位。
　　2.2.3 实际作业
　　实际作业前，工器具已通过模拟试验进行了验证和改进。针对已完全咬死的部件，首先加装专用保护装置，使用电动钻打孔，钻除部分螺母壁厚层，使用切割片切除螺母薄壁处，最后使用铲刀逐步切除连接部位，从而取下咬死螺母。清洗行程套管螺纹表面杂质，将专用修复工具安装到完好螺纹部位，进行第一遍修复，再利用板牙进行第二遍精修，达到螺纹表面平滑、无毛刺的合格标准，最终成功地处理了该缺陷问题。同时，逐一检查每根CRDM的螺纹，利用板牙去除表面毛刺，并在螺母回装时加装石墨垫片，减少螺母的咬死。
　　3 结论
　　经反应堆长期的运行，耐压壳顶部螺母以及类似结构的卡涩和咬死情况已十分普遍，处理难度大且具有极大安全风险。针对故障情况制定处理措施，分别研发专用工具处理咬死螺母的拆卸和螺纹修复两个关键点，解决了个别螺母的咬死，并通过改进措施，有效减少故障现象。现场实施效果良好，不仅安全解决了故障问题，确保设备安全可靠性，也为今后堆顶其他类似问题的处理提供了成功的处理借鉴思路和经验，值得采用和推广。
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