核電輔助設(shè)備螺栓緊固力矩的研究與應(yīng)用

劉 偉，蔣仕錦，涂德鵬

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518124）

核電輔助設(shè)備螺栓緊固力矩的研究與應(yīng)用

劉 偉，蔣仕錦，涂德鵬

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518124）

核電站輔助設(shè)備中使用了大量螺栓作為緊固件，安裝時，需提供螺栓緊固力矩的數(shù)值。螺栓連接分為一般連接形式和有密封要求的連接形式，根據(jù)不同的連接形式，推導(dǎo)和整理了一般連接形式下螺栓的緊固力矩計算公式。同時，對具有密封要求的螺栓連接，也給出了墊片受壓時螺栓的緊固力矩公式，為螺栓緊固力矩的計算，提供了一種簡便可靠的方法。

核電；設(shè)備；螺栓；連接；墊片；緊固力矩；公式；推導(dǎo)

0 概 述

在核電機組中，很多設(shè)備是通過螺栓實現(xiàn)連接。螺栓的連接主要有兩種形式，一種是通過螺栓實現(xiàn)不同零部件的結(jié)合，主要靠螺栓材料的強度實現(xiàn)連接的穩(wěn)定性；另一種則主要應(yīng)用于密封面的連接，通過螺栓穿過法蘭蓋壓迫墊片實現(xiàn)密封連接。螺栓連接是僅次于焊接的連接方式，螺栓的連接質(zhì)量主要通過螺栓的材質(zhì)和緊固螺栓所采用的力矩得以保證。在某核電站輔助設(shè)備的安裝中，曾出現(xiàn)過多次螺栓連接失效的情況，如力矩過大導(dǎo)致螺栓斷裂，造成已斷裂的螺栓難以取出；或者因螺栓松動，螺栓從連接件中脫出，砸壞其它重要設(shè)備，還曾有比較復(fù)雜的情況，如螺栓力矩過大導(dǎo)致密封墊片被壓散、螺栓爛牙等案例。因此，確定螺栓的緊固力矩，對核電工程的實際施工很有必要。

1 螺栓連接的受力方式

根據(jù)螺栓的連接形式及螺栓的受力情況，主要可分為三種受力方式。

（1）純軸向力，即螺栓僅在軸向受力。

（2）純橫向力，即螺栓在徑向受力。

（3）螺栓在軸向、徑向均受力。

在第1、2種情況下，螺栓連接的穩(wěn)定性是依靠螺栓本身的性能（材質(zhì)和尺寸），與緊固力矩無關(guān)。第3種螺栓受力狀況，是工程應(yīng)用中的普遍情況，螺栓既受拉應(yīng)力又受剪應(yīng)力。現(xiàn)僅討論第3種受力的螺栓連接情況。

考慮到工程中螺栓連接的失效情況，螺栓的緊固力矩需考慮到螺栓本體的強度，即不允許發(fā)生因緊固力矩過大，導(dǎo)致螺栓的屈服破壞而喪失連接性能的情況。也不能因過大的緊固力矩，而導(dǎo)致螺紋發(fā)生脫扣的情況。根據(jù)被連接件的材料強度，不能因為過大的緊固力矩，而使被連接件受到破壞。連接件特指密封墊片（不包括法蘭），應(yīng)確保墊片材料的密封性能。緊固力矩過小導(dǎo)致泄漏，力矩過大則墊片被壓死或被壓散。

現(xiàn)將第1種形式的緊固力矩定義為螺栓一般連接形式的緊固力矩（常用結(jié)構(gòu)件、常溫狀態(tài)），將第2、3種緊固力矩定義為密封連接形式（人孔門、非常溫）的緊固力矩。

2 螺栓預(yù)緊力與緊固力矩的關(guān)系

螺栓要實現(xiàn)對被連接件的緊固，需要對螺栓施加緊固力矩。在緊固過程中，螺栓的緊固力矩T需要克服螺紋副的阻力矩T1及螺帽與被連接件的端面的摩擦力矩T2：

式（1）中：d—螺栓公稱直徑；

d2—螺紋中徑；

θ—螺紋升角，θ=anctan［np/πd2］；

μ—螺母（或螺帽）與被連接件的摩擦系數(shù)；

ρν—螺紋副當量摩擦角；

dw—與支撐面連接的螺母或者墊圈的直徑；

d0—承壓面內(nèi)直徑；

F0—螺栓預(yù)緊力。

其中：K=tan（θ＋ρν）

由式（1）可知，在螺栓直徑已定的情況下，螺栓緊固力矩正比于預(yù)緊力，其比例系數(shù)就是緊固系數(shù)K。

緊固系數(shù)K的選取比較復(fù)雜，難以得到正確值，一般在0.1～0.3，表1為參考值［1］。在工程應(yīng)用中，K值一般取0.2。

表1緊固系數(shù)參考值

3 一般連接形式的緊固力矩

式（2）中：σca—螺栓所受應(yīng)力，MPa；

［σ］—螺栓的許用應(yīng)力，MPa；

σs—螺栓材料的屈服強度，MPa；

AS—螺栓應(yīng)力截面積，mm；表示為π（d1＋d2）2

螺栓被緊固后，受到軸向拉應(yīng)力和圓周方向的剪應(yīng)力。根據(jù)經(jīng)驗公式，對螺栓的破壞應(yīng)力一般取螺栓受到拉應(yīng)力的1.3倍［2］，故：16

d1—螺栓底徑，mm；

d2—螺栓中徑，mm；

t—安全因子，對于碳素鋼螺栓t可以取0.6～0.7［1］，對于合金鋼螺栓t可以取0.5～0.6［2］。

鑒于在工程中螺栓的公稱直徑d是較易獲取的信息，且考慮螺紋高度相對于螺栓直徑較小。所以，將式（2）變更為：

式（3）中：

結(jié)合式（1）、式（3），可得出螺栓允許的緊固力矩與螺栓屈服強度之間的關(guān)系：

取π=3.14，K=0.2，則式（4）可簡化為：

實際工程計算中，安全因子t一般取0.6，因此，式（5）可進一步簡化為：

根據(jù)國家標準，規(guī)定螺栓緊固件按機械性能分級，共分為十級［3］，螺栓的級數(shù)標識為：

3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9

在獲取螺栓的機械等級及螺栓直徑后，利用式（6），即可得到一般連接形式螺栓的緊固力矩。

4 密封形式的緊固力矩

在核電輔助設(shè)備中，許多密封面均需用螺栓進行連接，如蒸發(fā)器（MSR）本體、疏水箱人孔門，凝汽器接頸、熱井人孔門，疏水擴容器人孔門等。這些密封連接，是通過緊固螺栓壓迫墊片實現(xiàn)的密封連接。核電輔助設(shè)備人孔門的密封連接，主要采用了4種墊片，分別是金屬纏繞石墨墊片、石墨復(fù)合墊片、夾布橡膠墊片、非石棉橡膠墊片。這些墊片的材料及特性各不相同，能承受的工況溫度也不相同，有些墊片能承受高達200℃的工況溫度。所以，螺栓的許用應(yīng)力，不能簡單地采用安全系數(shù)乘以螺栓的機械屈服強度進行計算。這些影響因素的變化，使密封面緊固力矩的精確計算變得較為復(fù)雜。

4.1 墊片

4.1.1 墊片特性參數(shù)

密封連接需通過墊片實現(xiàn)，不同場合使用的墊片具有相異的特性參數(shù)。墊片預(yù)緊比壓力y與墊片系數(shù)m，是影響墊片密封效果的主要特性參數(shù)。預(yù)緊比壓力y是作用在墊片上的單位密封面積壓緊力，使墊片發(fā)生彈性變形，且足以填補密封面上的細微不平，是密封連接時不產(chǎn)生泄漏的最小數(shù)值。

預(yù)緊比壓力的計算公式為：

式（7）中：P—墊片的有效壓緊力；

A—墊片有效面積。

不同種類的墊片具有不同的y值，這個y值與工作壓力無關(guān)，即使工作壓力很低，墊片的y值也不變。

當密封面內(nèi)的介質(zhì)壓力升至操作壓力（即工況壓力）時，因內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力作用，趨于將兩片密封面兩側(cè)的法蘭（或密封蓋板）分開。于是，作用在墊片上的緊固力減少。當墊片的有效截面上的緊固壓力為某一臨界值時，仍能保持密封狀態(tài)，此時，作用在墊片上的剩余緊固力即為有效緊固壓力。如小于該臨界值時，密封就被破壞，甚至將墊片吹損而發(fā)生泄漏。為了保持密封連接的可靠性，墊片的有效緊固力，必須超過密封面處的操作壓力的m倍，計算公式為：

式（8）中：m—墊片系數(shù)；

P—墊片的有效壓緊力；

P1—密封面處的操作壓力。

墊片系數(shù)m值及預(yù)緊比壓y值，都是墊片的特性參數(shù)，其值因墊片的材質(zhì)而異。目前，核電輔助設(shè)備常用的密封墊片特性參數(shù)，如表2所示。

表2常用密封墊片的特性參數(shù)

如果墊片在螺栓預(yù)緊時承受了過大的壓緊力，將被壓縮成塑性變形而失去回彈能力。因此，在預(yù)緊時，既要將墊片壓緊，使其單位有效密封面積上的壓緊力不小于y值，還不能讓壓緊力過大，以防止墊片被壓縮成塑性變形。對于平面密封連接，為防止墊片被壓縮成塑性變形，應(yīng)控制墊片的預(yù)緊壓緊力不大于4y。

4.1.2 墊片的尺寸參數(shù)

根據(jù)墊片尺寸，確定墊片接觸寬度N和基本密封寬度b0，計算出墊片的有效密封寬度b。

壓緊面形狀（簡圖） 墊片基本密封寬度b 0N 2

當b0≤6.4mm時，

確定墊片壓緊力作用的中心圓直徑Dg：

當b0≤6.4mm時，Dg等于墊片接觸的平均直徑；

當b0＞6.4mm時，Dg等于墊片接觸的外徑減去2b。

4.2 螺栓受力

4.2.1 螺栓載荷

螺栓受力可分為密封面預(yù)緊狀態(tài)與工況下的受

當b0＞6.4mm時，力狀態(tài)，對應(yīng)的密封面螺栓載荷，可按式（11）、式（12）進行計算：

（1）預(yù)緊狀態(tài)下需要的螺栓最小載荷

（2）工況狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷

4.2.2 螺栓面積

螺栓面積的計算，按式（13）確定。

螺栓需要面積：

［σ］t—設(shè)計溫度下的螺栓許用應(yīng)力。

螺栓實際面積：

AS—螺栓應(yīng)力截面積，為0.785（d-0.9832p）2［4］，d是螺栓公稱直徑，p為螺栓螺距；

Z—密封面螺栓個數(shù)。

4.2.3 螺栓緊固力矩

螺栓設(shè)計預(yù)緊載荷：

根據(jù)式（1）可得出，密封面上相應(yīng)每根螺栓的預(yù)緊緊固力矩

K—緊固系數(shù)，一般取0.2；

Z—密封面上螺栓的個數(shù)；

d—螺栓公稱直徑，mm；

t—力矩安全系數(shù)，一般取1.2～1.3。

5 結(jié) 語

根據(jù)螺栓機械性能等級和螺栓螺紋公稱直徑，從已有公式進行總結(jié)分析，推導(dǎo)一般連接形式下螺栓緊固力矩的簡易公式。同時，根據(jù)密封面形式下的螺栓特性（許用應(yīng)力、公稱直徑、螺距）和墊片特性參數(shù)（預(yù)緊比壓力，墊片系數(shù)、尺寸參數(shù)），整理推導(dǎo)了密封面形式下的緊固力矩，為核電設(shè)備的安裝，提供便捷的計算方法。

［1］成大先.機械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］邱宣懷.機械設(shè)計［M］.北京：高等教育出版社，1997.

［3］GB/T3098.1-2010.緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱［S］.

［4］GB/T16823.1-1997.螺紋緊固件應(yīng)力截面積和承載面積［S］.

簡訊

俄將在北極建30座移動式核電站

據(jù)俄羅斯RT新聞網(wǎng)報道，俄羅斯軍方正在加速推動在北極建設(shè)移動式核電站的研究進程。俄已下令開展小型移動式核電站的試運行計劃，實驗用的核電站將搭載在KAMAZ或MAZ重卡，或運輸用的雪橇上被運往北極地區(qū)的目的地。據(jù)悉，第一座移動式核電站有望于2020年建成。

報道稱，如果軍方認可前期試運行的結(jié)果，預(yù)計為期兩年的完整實驗即將投入運行。完整實驗結(jié)束后，移動式核電站的原型機即將成型。原型機可能在未來4～5年之內(nèi)面世，量產(chǎn)的計劃屆時也將準備就緒。據(jù)悉，俄羅斯軍方希望能在極北地區(qū)和北極諸島部署30座以上的移動式核電站。

據(jù)悉，除了正在進行的移動式核電站的研究項目，俄羅斯軍方還在推進漂浮式核電站的使用研究。第一座漂浮式核電站將于2016年10月在北極地區(qū)投入使用。

首臺高溫堆核電項目反應(yīng)堆壓力容器水壓試驗圓滿成功

在華能山東石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程中，首臺反應(yīng)堆壓力容器設(shè)備的水壓試驗，在上海電氣核電設(shè)備有限公司獲得圓滿成功。經(jīng)檢查，各項數(shù)據(jù)均符合規(guī)范要求，外表面目視檢查無變形、無滲漏和漏滴情況發(fā)生。國家核安全局北方站等各方人員共同見證，一致認為結(jié)果合格。

反應(yīng)堆壓力容器是組成反應(yīng)堆一回路的關(guān)鍵主設(shè)備，水壓試驗是檢驗其整體強度、密封性和主焊縫質(zhì)量的重要試驗和關(guān)鍵工序。反應(yīng)堆壓力容器設(shè)備水壓試驗的一次成功，標志著首臺高溫堆的核島關(guān)鍵設(shè)備，經(jīng)過獨立研發(fā)、自主創(chuàng)新后，已完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，達到了世界先進水平力。

摘自上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機廠技術(shù)部《信息簡訊》第205期

ResearchandApplicationofNuclearPowerAuxiliary EquipmentTighteningTorque

LIUWei，JIANGShi-jin，TUDe-peng
（ChinaNuclearPowerEngineeringCompanyCo.，Ltd.，Shenzhen518124，Guangdong，China）

ThereisalargenumberofboltsinnuclearpowerplantTGauxiliaryequipmentasfasteners.Numerical valuesofcorrespondingfasteningtorqueareoftenrequiredininstalling.Theboltconnectionisnormallydividedinto thenormalconnectionandtheconnectionwithsealrequirement.Thispaperanalyzesthesetwocases，including generalconnectionformandsealsurfaceform，oftighteningtorque，derivingtheformulaoffasteningtorque correspondingshimandbolt.Asimpleandreliablemethodisalsoprovidedforbolttighteningtorque.

nuclearpower；equipment；bolt；connection；cashier；tighteningtorque；formula；deriving

TL353+.13

：A

1672-0210(2015)04-0001-04

2015-09-30

：2015-10-23

劉偉（1985-），男，工程師，碩士研究生，畢業(yè)于華中科技大學(xué)，從事核電機組設(shè)備方面的項目管理工作。