核电厂主设备用螺纹衬套研制与试验

余 平 汤臣杭

（中国核动力研究设计院，四川 成都610213）

0 引言

核电厂的蒸汽发生器、稳压器等主设备，在制造、安装、检修期间，其入孔、手孔和观察孔的螺栓连接接头处时常发生螺栓被咬死、螺纹孔的内螺纹被碰撞等问题，导致螺纹孔严重损坏，以至于不能采用一般的修理方法修复螺纹孔。在这种情况下，就可采用螺纹衬套来进行修复。采用螺纹衬套修复之后的螺孔无须更换螺栓，且有助于增强螺纹连接的承载力和抗疲劳强度。这种修理方法技术比较成熟、可靠，在国外核设备螺纹孔修理中被广泛使用。

目前，国内二代及二代加核电厂主设备用螺纹衬套参考国外设计，缺乏相应的分析研究和试验研究，无法满足自主化三代核电机组（如华龙一号）的需求，为实现设计自主化和制造本地化，相关人员在国内开展了核电厂主设备用螺纹衬套的研制。本文论述了螺纹衬套研制的关键技术，针对螺纹衬套的工作特性进行了分析，并通过试验进行了验证。

1 螺纹衬套工作原理

螺纹衬套（Helical-Coil Threaded Inserts）是一种特殊的内螺纹紧固件。核设备用螺纹衬套是采用高强度、高精度、表面光洁的冷轧菱形镍基合金丝精确加工而成的一种弹簧状内外螺纹。

螺纹衬套的工作原理是在螺栓／柱和基体内螺纹之间形成弹性连接，消除螺纹制造误差，提高连接强度。自由状态螺纹衬套外径大于螺孔的直径，通过专用安装工具使其直径变小，旋入预先加工好的内螺纹中。螺纹衬套起到类似弹簧的膨胀作用，使其牢固地固定在螺纹孔内，不会随螺栓转动。螺纹衬套工作原理示意图如图1所示。

图1 螺纹衬套工作原理示意图

2 螺纹衬套关键技术

2.1 结构设计

研究人员通过调研国外核设备螺纹衬套的相关资料，结合国内外相关标准，确定了螺纹衬套结构尺寸要求，螺纹衬套结构如图2所示，其相关技术要求如下：螺纹衬套型面尺寸按国标执行；安装柄位置尺寸E取引导圈Dy实际尺寸的1/2为其公称尺寸，偏差为±0.15 mm；自由状态下，螺纹衬套的外螺纹牙型角平分线应垂直于螺纹衬套轴线，其偏差应不大于4°；螺纹衬套两相邻圈之间的间隙应不大于0.25倍螺距；折断槽应保证螺纹衬套在正确使用安装工具时，安装柄不折断，安装后，用专用去柄工具能将安装柄在折断槽处折断并脱落，安装柄去除后，不影响螺纹精度。

图2 螺纹衬套结构图

在确定螺纹衬套结构尺寸后，为保证螺纹衬套可正确安装，还需确定螺纹衬套安装用底孔尺寸，相关技术要求如下：螺纹衬套底孔的基本牙型符合国标规定；螺纹直径的极限偏差从螺纹基本牙型线起，按垂直于螺纹轴心线方向计算；螺纹大径偏差由螺纹工具确定；螺纹中径的下偏差包括中径本身的尺寸偏差和螺距、牙型半角误差的中径补偿值，上偏差为中径本身的偏差，用极限塞规检查。

2.2 材料技术要求

调研国内外核动力装置主设备用螺纹衬套材料，结合国内二代加核电站建造经验，选用螺纹衬套材料牌号为GH4145，该材料等效RCC-M[1]牌号NC15FeTNb及ASME[2]牌号Inconel X750。该材料具有高强度、良好的韧性、良好的耐腐蚀性能，与低合金钢底孔材料具有相近的热膨胀系数，在核电站蒸汽发生器和稳压器的螺纹衬套上已有不错使用经验。

2.3 制造

螺纹衬套制造工序包括轧丝、绕丝、冲断、开槽、清洗和硬化热处理等。

（1）轧丝：在专用轧丝机上将圆形原料丝冷轧挤压成需要的菱形丝，并达到要求的截面尺寸，便于后续的绕套工作。轧丝的关键在于：①确定不同规格的菱形丝所需的原丝直径；②确定轧丝所需的轧辊边槽形状；③确定轧丝机的功率、轧丝速率等。

（2）绕丝：将轧制好的菱形钢丝在专用绕丝机上绕制出螺旋形线圈，形成螺纹衬套的雏形。绕丝的关键在于：①确定绕丝用的芯轴直径；②确定专用绕丝车床的转速；③确定一套符合生产实际的简单易用绕丝板调整工艺。

（3）冲断、开槽：将绕丝后两端多余的工艺长度冲断，并在安装柄端一侧的导引圈上开冲断槽。

（4）清洗和硬化热处理：采用超声波清洗技术进行真空热处理，严格控制工艺参数，保证获得最终力学性能和表面质量。

产品最终性能指标如下：

1）室温抗拉强度1 553 MPa；

2）室温屈服强度1 436 MPa；

3）断后伸长率19%；

4）360 ℃抗拉强度1 372 MPa；

5）360 ℃屈服强度1 200 MPa。部分性能指标优于国外同类产品。

3 分析和试验

针对螺纹连接结构进行分析，结果表明，装配螺纹衬套后载荷分布更均匀。如图3所示，不装配螺纹衬套时大部分应力集中在上面少数几扣螺纹上，只有1/3的丝扣承担了大部分载荷。而装配螺纹衬套后，由于螺纹衬套有一定的柔性，在加载过程中能补偿螺纹导程或螺纹角度误差，从而使载荷均匀分布到螺纹全长，提高螺纹强度。

图3 螺纹应力分布图

研究人员还开展了螺纹衬套连接强度试验和疲劳试验。螺栓及螺纹衬套规格：M48x4；螺栓材料：42CDV4（RCC-M M5110）；底孔材料：18MND5（RCCM M2119）。该试验装置见图4和图5所示。

图4 螺纹衬套连接强度试验

图5 螺纹衬套疲劳试验

同时，进行了4组连接强度试验，第1、第2组一端带螺纹衬套一端不带，第3组两端均带螺纹衬套，第4组两端均不带螺纹衬套，结果为：

（1）第1、第2组试验中，不带螺纹衬套一端先发生脱扣破坏；

（2）第3组发生破坏时的力大于第4组。试验结果表明装配螺纹衬套提高了螺纹连接强度。

疲劳试验结果为：试验螺栓断裂，螺纹衬套表面没有不可接受的缺陷，通止规检查合格。试验结果表明装配螺纹衬套后的螺纹疲劳使用寿命好于螺栓。

4 结语

研究人员通过研制，掌握了核电厂主设备用螺纹衬套设计和制造的关键技术，实现了国内自主设计和制造。通过对螺纹衬套开展的连接强度试验和疲劳试验，验证了螺纹衬套设计和制造的合理性。同时，试验结果也表明装配合适的螺纹衬套进行螺纹孔的修复，可以提高螺纹的承载能力。