反应堆压力容器螺栓法兰连接设计与改进_周高斌
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M310 堆型 ＲPV 共有 58 根主螺栓，主螺栓和 螺孔采用 M155 mm × 4 mm 的螺纹。为了避免主 螺栓和螺孔在安装及运行过程中发生螺纹损伤的 异常情况，主螺栓和螺孔螺纹结构设计采取了一 些特殊考虑：
（ 1） 选择适当的螺纹副配合精度，避免配合 过松造成螺纹连接松弛、配合过紧又造成螺栓旋 入困难乃至卡涩或咬死，设计最终选定了0． 122 ～ 0． 317 mm 的螺纹副配合间隙；
首扣螺纹损伤若未及时清理或处理不当，会 造成首扣螺纹强度削弱，并有可能会造成后续螺 牙齿面划伤Hale Waihona Puke Baidu毛刺等，影响主螺栓的顺利旋入。在 安装和检修时发现上述损伤后，根据情况采取抛 光、钢丝刷清理或铣削去除损伤螺纹等措施进行 处理。
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图 3 螺孔首扣螺纹缺肉示意
2． 2 螺纹齿面损伤 常见的螺 纹 齿 面 损 伤 有 齿 面 划 痕、毛 刺、凹
通常的主螺栓旋入操作程序简述如下： 主螺 栓旋入前，先仔细清理及检查螺栓和螺孔螺纹，避 免有异物存在导致螺纹齿面划伤或卡涩，然后在 螺栓和螺孔的螺纹部分均匀涂覆润滑剂，以增加 螺纹副之间的润滑，有利于旋入。种植主螺栓时， 在保证螺栓与螺孔的良好对中情况下，主螺栓以 小于 50 kg 的剩余平衡重量缓慢降落到螺孔首扣 螺纹上，然后以 6 r / min 的转速开始旋转，入扣后 提高至 16 r / min。入扣扭矩若高于 20 N·m，则 会反旋主螺栓，重新调整平衡重量并再次尝试旋 转； 入扣扭矩若高于 60 N·m，自动模式中断，发 送提示信息给操作者进行问题排查。主螺栓旋入 10 mm 后，转速提高至 49 r / min，扭矩检测限值分 别变化为 120 N·m（ 减速） 和 180 N·m（ 停止） 。 旋至一定深度后将转速减至 6 r / min，旋至螺孔底 部时再将主螺栓反转 1 /4 圈。
（ 2） 根据使用要求并结合制造工艺能达到的 精度等级选择合理的螺纹表面粗糙度，以尽量减 小螺纹副接触面之间的摩擦，使螺栓旋入需克服 的摩擦力尽量小，有利于螺栓的顺利旋入，为此设 计要求主螺栓螺纹表面粗糙度 Ｒa≤0． 8 μm、螺孔 螺纹表面粗糙度 Ｒa≤1． 6 μm；
（ 3） 为了改善螺纹副之间的摩擦、增加润滑 作用和避免卡死、提高螺纹的耐蚀能力，设计要求 主螺栓按照 ＲCC － M F5200 进行锰基磷化处理， 在螺纹表面形成 5 ～ 10 μm 的磷酸锰覆层；
在 ＲPV 螺纹受损案例中，超过一半的主螺栓 和螺孔的首扣螺纹受到了损伤，如划痕、凹坑、缺 肉和撕裂等。图 2 示出主螺栓首扣螺纹凹坑，图 3 示出螺孔首扣螺纹缺肉。首扣螺纹损伤多出现 于种植主螺栓时，主螺栓刚放置到螺孔首扣螺纹 齿面上开始入扣旋入操作的过程中。据统计，国 内目前在建的 6 个机组 ＲPV 共 348 组主螺栓和 螺孔中，约有 29% 的主螺栓和 32% 螺孔出现首扣 螺纹损伤。
图 1 ＲPV 螺栓法兰连接结构示意
文中以 M310 堆型 ＲPV 为例，对主螺栓与法 兰螺 孔 的 设 计 进 行 分 析 和 讨 论，结 合 国 内 多 个 M310 机组 ＲPV 在安装建造过程中出现的典型主 螺栓和螺孔螺纹损伤事故，对主螺栓与螺孔螺纹 损伤原因进行分析和改进，最后对螺栓法兰设计 提出改进建议，以减少 ＲPV 主螺栓和螺孔螺纹损 伤事故，降低螺纹损伤的风险。
图 6 螺栓卡涩取出后螺孔螺牙变形示意
大扭矩强行退出，另外 4 根主螺栓通过切割钻孔 破坏后取出。主螺栓卡涩的情况很少见，通常较 为稳妥的做法是切割主螺栓钻取拿出［9］，可以避 免造成对螺孔的进一步损伤。 2． 4 螺纹尺寸超差
坑、缺肉和积瘤等，如图 4，5 所示。
图 4 螺孔齿面划痕及毛刺示意
图 5 螺孔积瘤示意
第 31 卷第 3 期
压力容器
总第 256 期
轻微划痕和毛刺等损伤在安装及运行中较常 见，通过抛光等措施即可修复。在安装前若毛刺 等损伤没有彻底清理，相当于螺纹间有异物存在， 影响主螺栓的后续旋入，并有形成积瘤的隐患。
在核电站建造及运行期间，对于主螺栓安装 和拆卸均制定了严格的操作程序，目前国内在役 及在建的 M310 堆型 ＲPV 均采用整体式螺栓拉 伸机（ MSTM） 进行开盖 / 扣盖过程中的主螺栓旋 入 /旋出及拉伸预紧操作。
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CPVT
反应堆压力容器螺栓法兰连接设计与改进
Vol31. No3 2014
0 引言
核电站反应堆压力容器（ 简称： ＲPV） 是核岛
·70·
一回路冷却剂系统压力边界的重要组成部分，是 整个核电站的心脏，一般由顶盖和容器通过法兰 螺栓结构连接构成，如图 1 所示。核电设备中螺 纹连接结构在设计寿命期内可能会受材料辐照脆
第 31 卷第 3 期
压力容器
总第 256 期
化、疲劳破坏、高温应力松弛、蠕变、振动与微动和 腐蚀等的影响［1］，国内外对法兰螺栓连接的研究 也主要关注由此引起的断裂、松动和预紧力下降 等失效［2 － 4］。但从国内外核电站安装及运行反馈 经验来看，上述失效在 ＲPV 螺栓法兰连接中却较 少出现，反而是在 ＲPV 主螺栓安装过程中时常发 生主螺栓和螺孔螺纹损伤，并会导致严重的后果。 ＲPV 的设计寿命一般为 40 ～ 60 a［5］，从建造期间 的安装调试到在役期间的每次换料及检修均需进 行开盖和扣盖操作，ＲPV 每根主螺栓在寿命期内 约要进行 60 ～ 120 次旋入 / 旋出操作，一旦主螺栓 或螺孔螺纹出现异常情况，势必会影响开盖和扣 盖操作的正常进行，增加换料及检修时间和设备 维修成本，影响核电站的经济效益。
（ 4） 为了既增强首扣螺纹端部的强度，又能 使首扣螺纹入口时有良好的导向作用能顺利入 扣，设计上要求主螺栓首扣螺纹去除 270°不完整 螺纹、螺孔 首 扣 螺 纹 去 除 全 部 （ 360°） 不 完 整 螺 纹，并且螺栓和螺孔首扣螺纹起始位置处倒两个 相切的 Ｒ25 mm 圆角进行圆滑过渡。 1． 3 主螺栓安装程序
1 反应堆压力容器（ ＲPV） 螺栓法兰设计
M310 堆型 ＲPV 总体上按照 ＲCC － M 规范［5］ 1 级设备进行设计和建造，按照 ＲSE － M 规范［6］ 进行在役检查和维修。 1． 1 法兰螺栓材料
ＲPV 母材的选择必须综合考虑强度、韧性、
辐照脆化等多方面因素［8］，目前二代及三代核电 机组广泛采用锰 － 镍 － 钼低合金钢材料。M310 堆型 ＲPV 法兰材料牌号为 16MND5 锻 件，遵 循 ＲCC － M M2113 的规定，其室温抗拉强度 550 ～ 670 MPa，屈服强度≥400 MPa，硬度一般为 180 ～ 230 HB。而为保证主螺栓有足够的预紧载荷和 承载能力，则选取高强度的镍 － 铬 － 钼 － 钒合金 钢锻棒，牌 号 为 40NCDV 7 － 03，遵 循 ＲCC － M M2311 的 规 定，其 室 温 抗 拉 强 度 1000 ～ 1170 MPa，屈服强度≥900 MPa，硬度一般为 340 ～ 375 HB。 1． 2 螺纹结构
Abstract： The design of bolted flange connection for reactor pressure vessel （ ＲPV） should prevent bolt stucking and reduce thread damages． It will influence the normal installation and refueling of nuclear power plant，on the thread damage accidents of ＲPV bolts and hole are happened during the construction and operation phase． It will also increase the cost of repair and impact economical benefit of nuclear power plant． Basing on the M310 nuclear power plant，an analysis and discussion for the design of bolt and bolt hole were made． Then，according to the happened typical thread damages of bolt and bolt hole，the reason of thread damage was analyzed and some improvement researches were made． Finally，some improvements to reduce the incidence and risk of thread damages were proposed． Key words： reactor pressure vessel（ ＲPV） ； bolt； thread hole； thread damage； improvement
经验交流
反应堆压力容器螺栓法兰连接设计与改进
周高斌，罗 英，邱 天，张亚斌，王小彬，曾 鹏，谢国福 （ 中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术国家级重点实验室，四川 成都 610041）
摘 要： 反应堆压力容器（ ＲPV） 螺栓法兰连接设计应避免螺栓卡涩并减少螺纹损伤，在 ＲPV 主螺栓 安装及运行过程中一旦发生主螺栓或螺孔螺纹损伤事故，势必会影响核电站安装或换料的正常进 行，增加维修成本，进而影响整个核电站的经济效益。以 M310 堆型 ＲPV 为例，对主螺栓与法兰螺 孔的设计进行分析和讨论，并结合核电厂安装及运行中出现的典型螺纹损伤案例，对螺纹损伤原因 进行分析，最后对螺栓法兰设计提出改进建议，以减少 ＲPV 主螺栓和螺孔螺纹损伤事故，降低螺纹 损伤的风险。 关键词： 反应堆压力容器； 主螺栓； 螺孔； 螺纹损伤； 改进
图 2 主螺栓首扣螺纹凹坑示意
2 典型螺纹损伤
尽管设计时从选材、结构和安装等方面都有 严格要求，但目前国内多个 M310 机组 ＲPV 主螺 栓在建造安装过程中均发生过主螺栓和螺孔螺纹 损伤事故，其中最典型的一次主螺栓卡涩案例，从 发生到处理完结历时约 8 个月，严重影响核电站 的正常建造周期。以下列举了国内在役及在建 M310 核电站在安装建造过程中出现过的典型螺 纹损伤案例。 2． 1 首扣螺纹损伤
齿面凹坑、缺肉、积瘤等损伤在主螺栓上发生 时相对易于处理，打磨去除高点并平滑过渡即可， 出现在螺孔上则需要根据情况配合使用钢丝刷或 梳刀等工具。这类损伤中影响最大的是凸出螺牙 轮廓的损伤，若没有得到及时清理，在主螺栓旋入 过程中会造成更严重的损伤。 2． 3 主螺栓卡涩
在某些意外情况下，会出现主螺栓旋入 / 旋出 不畅乃至卡涩事故，卡涩处理不当就会随之产生 螺栓和螺孔螺牙变形、齿面损伤等缺陷。图 6，7 示出了主螺栓卡涩取出后的螺牙变形和齿面刮伤 缺陷。
ZHOU Gao － bin，LUO Ying，QIU Tian，ZHANG Ya － bin，WANG Xiao － bin， ZENG Peng，XIE Guo － fu
（ Science and Technology on Ｒeactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610041，China）
中图分类号： TH131； TL351 文献标志码： B 文章编号： 1001 － 4837（ 2014） 03 － 0070 － 07 doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 4837． 2014． 03． 011
Design and Improvement of Bolted Flange Connection for Ｒeactor Pressure Vessel
（ 1） 选择适当的螺纹副配合精度，避免配合 过松造成螺纹连接松弛、配合过紧又造成螺栓旋 入困难乃至卡涩或咬死，设计最终选定了0． 122 ～ 0． 317 mm 的螺纹副配合间隙；
首扣螺纹损伤若未及时清理或处理不当，会 造成首扣螺纹强度削弱，并有可能会造成后续螺 牙齿面划伤Hale Waihona Puke Baidu毛刺等，影响主螺栓的顺利旋入。在 安装和检修时发现上述损伤后，根据情况采取抛 光、钢丝刷清理或铣削去除损伤螺纹等措施进行 处理。
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图 3 螺孔首扣螺纹缺肉示意
2． 2 螺纹齿面损伤 常见的螺 纹 齿 面 损 伤 有 齿 面 划 痕、毛 刺、凹
通常的主螺栓旋入操作程序简述如下： 主螺 栓旋入前，先仔细清理及检查螺栓和螺孔螺纹，避 免有异物存在导致螺纹齿面划伤或卡涩，然后在 螺栓和螺孔的螺纹部分均匀涂覆润滑剂，以增加 螺纹副之间的润滑，有利于旋入。种植主螺栓时， 在保证螺栓与螺孔的良好对中情况下，主螺栓以 小于 50 kg 的剩余平衡重量缓慢降落到螺孔首扣 螺纹上，然后以 6 r / min 的转速开始旋转，入扣后 提高至 16 r / min。入扣扭矩若高于 20 N·m，则 会反旋主螺栓，重新调整平衡重量并再次尝试旋 转； 入扣扭矩若高于 60 N·m，自动模式中断，发 送提示信息给操作者进行问题排查。主螺栓旋入 10 mm 后，转速提高至 49 r / min，扭矩检测限值分 别变化为 120 N·m（ 减速） 和 180 N·m（ 停止） 。 旋至一定深度后将转速减至 6 r / min，旋至螺孔底 部时再将主螺栓反转 1 /4 圈。
（ 2） 根据使用要求并结合制造工艺能达到的 精度等级选择合理的螺纹表面粗糙度，以尽量减 小螺纹副接触面之间的摩擦，使螺栓旋入需克服 的摩擦力尽量小，有利于螺栓的顺利旋入，为此设 计要求主螺栓螺纹表面粗糙度 Ｒa≤0． 8 μm、螺孔 螺纹表面粗糙度 Ｒa≤1． 6 μm；
（ 3） 为了改善螺纹副之间的摩擦、增加润滑 作用和避免卡死、提高螺纹的耐蚀能力，设计要求 主螺栓按照 ＲCC － M F5200 进行锰基磷化处理， 在螺纹表面形成 5 ～ 10 μm 的磷酸锰覆层；
在 ＲPV 螺纹受损案例中，超过一半的主螺栓 和螺孔的首扣螺纹受到了损伤，如划痕、凹坑、缺 肉和撕裂等。图 2 示出主螺栓首扣螺纹凹坑，图 3 示出螺孔首扣螺纹缺肉。首扣螺纹损伤多出现 于种植主螺栓时，主螺栓刚放置到螺孔首扣螺纹 齿面上开始入扣旋入操作的过程中。据统计，国 内目前在建的 6 个机组 ＲPV 共 348 组主螺栓和 螺孔中，约有 29% 的主螺栓和 32% 螺孔出现首扣 螺纹损伤。
图 1 ＲPV 螺栓法兰连接结构示意
文中以 M310 堆型 ＲPV 为例，对主螺栓与法 兰螺 孔 的 设 计 进 行 分 析 和 讨 论，结 合 国 内 多 个 M310 机组 ＲPV 在安装建造过程中出现的典型主 螺栓和螺孔螺纹损伤事故，对主螺栓与螺孔螺纹 损伤原因进行分析和改进，最后对螺栓法兰设计 提出改进建议，以减少 ＲPV 主螺栓和螺孔螺纹损 伤事故，降低螺纹损伤的风险。
图 6 螺栓卡涩取出后螺孔螺牙变形示意
大扭矩强行退出，另外 4 根主螺栓通过切割钻孔 破坏后取出。主螺栓卡涩的情况很少见，通常较 为稳妥的做法是切割主螺栓钻取拿出［9］，可以避 免造成对螺孔的进一步损伤。 2． 4 螺纹尺寸超差
坑、缺肉和积瘤等，如图 4，5 所示。
图 4 螺孔齿面划痕及毛刺示意
图 5 螺孔积瘤示意
第 31 卷第 3 期
压力容器
总第 256 期
轻微划痕和毛刺等损伤在安装及运行中较常 见，通过抛光等措施即可修复。在安装前若毛刺 等损伤没有彻底清理，相当于螺纹间有异物存在， 影响主螺栓的后续旋入，并有形成积瘤的隐患。
在核电站建造及运行期间，对于主螺栓安装 和拆卸均制定了严格的操作程序，目前国内在役 及在建的 M310 堆型 ＲPV 均采用整体式螺栓拉 伸机（ MSTM） 进行开盖 / 扣盖过程中的主螺栓旋 入 /旋出及拉伸预紧操作。
·71·
CPVT
反应堆压力容器螺栓法兰连接设计与改进
Vol31. No3 2014
0 引言
核电站反应堆压力容器（ 简称： ＲPV） 是核岛
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一回路冷却剂系统压力边界的重要组成部分，是 整个核电站的心脏，一般由顶盖和容器通过法兰 螺栓结构连接构成，如图 1 所示。核电设备中螺 纹连接结构在设计寿命期内可能会受材料辐照脆
第 31 卷第 3 期
压力容器
总第 256 期
化、疲劳破坏、高温应力松弛、蠕变、振动与微动和 腐蚀等的影响［1］，国内外对法兰螺栓连接的研究 也主要关注由此引起的断裂、松动和预紧力下降 等失效［2 － 4］。但从国内外核电站安装及运行反馈 经验来看，上述失效在 ＲPV 螺栓法兰连接中却较 少出现，反而是在 ＲPV 主螺栓安装过程中时常发 生主螺栓和螺孔螺纹损伤，并会导致严重的后果。 ＲPV 的设计寿命一般为 40 ～ 60 a［5］，从建造期间 的安装调试到在役期间的每次换料及检修均需进 行开盖和扣盖操作，ＲPV 每根主螺栓在寿命期内 约要进行 60 ～ 120 次旋入 / 旋出操作，一旦主螺栓 或螺孔螺纹出现异常情况，势必会影响开盖和扣 盖操作的正常进行，增加换料及检修时间和设备 维修成本，影响核电站的经济效益。
（ 4） 为了既增强首扣螺纹端部的强度，又能 使首扣螺纹入口时有良好的导向作用能顺利入 扣，设计上要求主螺栓首扣螺纹去除 270°不完整 螺纹、螺孔 首 扣 螺 纹 去 除 全 部 （ 360°） 不 完 整 螺 纹，并且螺栓和螺孔首扣螺纹起始位置处倒两个 相切的 Ｒ25 mm 圆角进行圆滑过渡。 1． 3 主螺栓安装程序
1 反应堆压力容器（ ＲPV） 螺栓法兰设计
M310 堆型 ＲPV 总体上按照 ＲCC － M 规范［5］ 1 级设备进行设计和建造，按照 ＲSE － M 规范［6］ 进行在役检查和维修。 1． 1 法兰螺栓材料
ＲPV 母材的选择必须综合考虑强度、韧性、
辐照脆化等多方面因素［8］，目前二代及三代核电 机组广泛采用锰 － 镍 － 钼低合金钢材料。M310 堆型 ＲPV 法兰材料牌号为 16MND5 锻 件，遵 循 ＲCC － M M2113 的规定，其室温抗拉强度 550 ～ 670 MPa，屈服强度≥400 MPa，硬度一般为 180 ～ 230 HB。而为保证主螺栓有足够的预紧载荷和 承载能力，则选取高强度的镍 － 铬 － 钼 － 钒合金 钢锻棒，牌 号 为 40NCDV 7 － 03，遵 循 ＲCC － M M2311 的 规 定，其 室 温 抗 拉 强 度 1000 ～ 1170 MPa，屈服强度≥900 MPa，硬度一般为 340 ～ 375 HB。 1． 2 螺纹结构
Abstract： The design of bolted flange connection for reactor pressure vessel （ ＲPV） should prevent bolt stucking and reduce thread damages． It will influence the normal installation and refueling of nuclear power plant，on the thread damage accidents of ＲPV bolts and hole are happened during the construction and operation phase． It will also increase the cost of repair and impact economical benefit of nuclear power plant． Basing on the M310 nuclear power plant，an analysis and discussion for the design of bolt and bolt hole were made． Then，according to the happened typical thread damages of bolt and bolt hole，the reason of thread damage was analyzed and some improvement researches were made． Finally，some improvements to reduce the incidence and risk of thread damages were proposed． Key words： reactor pressure vessel（ ＲPV） ； bolt； thread hole； thread damage； improvement
经验交流
反应堆压力容器螺栓法兰连接设计与改进
周高斌，罗 英，邱 天，张亚斌，王小彬，曾 鹏，谢国福 （ 中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术国家级重点实验室，四川 成都 610041）
摘 要： 反应堆压力容器（ ＲPV） 螺栓法兰连接设计应避免螺栓卡涩并减少螺纹损伤，在 ＲPV 主螺栓 安装及运行过程中一旦发生主螺栓或螺孔螺纹损伤事故，势必会影响核电站安装或换料的正常进 行，增加维修成本，进而影响整个核电站的经济效益。以 M310 堆型 ＲPV 为例，对主螺栓与法兰螺 孔的设计进行分析和讨论，并结合核电厂安装及运行中出现的典型螺纹损伤案例，对螺纹损伤原因 进行分析，最后对螺栓法兰设计提出改进建议，以减少 ＲPV 主螺栓和螺孔螺纹损伤事故，降低螺纹 损伤的风险。 关键词： 反应堆压力容器； 主螺栓； 螺孔； 螺纹损伤； 改进
图 2 主螺栓首扣螺纹凹坑示意
2 典型螺纹损伤
尽管设计时从选材、结构和安装等方面都有 严格要求，但目前国内多个 M310 机组 ＲPV 主螺 栓在建造安装过程中均发生过主螺栓和螺孔螺纹 损伤事故，其中最典型的一次主螺栓卡涩案例，从 发生到处理完结历时约 8 个月，严重影响核电站 的正常建造周期。以下列举了国内在役及在建 M310 核电站在安装建造过程中出现过的典型螺 纹损伤案例。 2． 1 首扣螺纹损伤
齿面凹坑、缺肉、积瘤等损伤在主螺栓上发生 时相对易于处理，打磨去除高点并平滑过渡即可， 出现在螺孔上则需要根据情况配合使用钢丝刷或 梳刀等工具。这类损伤中影响最大的是凸出螺牙 轮廓的损伤，若没有得到及时清理，在主螺栓旋入 过程中会造成更严重的损伤。 2． 3 主螺栓卡涩
在某些意外情况下，会出现主螺栓旋入 / 旋出 不畅乃至卡涩事故，卡涩处理不当就会随之产生 螺栓和螺孔螺牙变形、齿面损伤等缺陷。图 6，7 示出了主螺栓卡涩取出后的螺牙变形和齿面刮伤 缺陷。
ZHOU Gao － bin，LUO Ying，QIU Tian，ZHANG Ya － bin，WANG Xiao － bin， ZENG Peng，XIE Guo － fu
（ Science and Technology on Ｒeactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610041，China）
中图分类号： TH131； TL351 文献标志码： B 文章编号： 1001 － 4837（ 2014） 03 － 0070 － 07 doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 4837． 2014． 03． 011
Design and Improvement of Bolted Flange Connection for Ｒeactor Pressure Vessel