AP1000蒸汽發(fā)生器人孔法蘭螺栓預(yù)緊力校核

魏小寶

(國(guó)核工程有限公司，上海 200233)

0 引言

AP1000核電站的蒸汽發(fā)生器(Steam Generator，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為SG)均有4個(gè)人孔法蘭，2個(gè)一次側(cè)人孔法蘭位于SG的下封頭;2個(gè)二次側(cè)人孔法蘭位于SG二次側(cè)筒體(汽鼓)上，呈左右對(duì)稱(chēng)分布［1］。人孔法蘭的螺栓繞圓形法蘭呈對(duì)稱(chēng)分布，螺栓規(guī)格為1.875″－8UNR －2A(47.625 mm)、螺栓長(zhǎng) 17.11″(344.6 mm)，螺栓設(shè)有中心孔，中心孔內(nèi)設(shè)置有螺栓伸長(zhǎng)量測(cè)量桿，螺栓中心孔兩端均有內(nèi)螺紋孔，以便安裝螺栓伸長(zhǎng)量測(cè)量桿和百分表使用，參見(jiàn)圖1，2。每個(gè)螺栓配有1個(gè)六角螺母和1組球面墊圈。人孔法蘭由石墨金屬纏繞墊片進(jìn)行密封。

某核電站計(jì)劃用整體螺栓拉伸機(jī)拆卸SG二次側(cè)人孔法蘭以安裝吊裝用的耳軸，用于翻轉(zhuǎn)、吊裝SG。螺栓拉伸機(jī)安裝穩(wěn)妥后，操作螺栓拉伸機(jī)將法蘭螺栓拉伸到設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)量0.01″(0.254 mm)后發(fā)現(xiàn)，用螺栓拉伸機(jī)配套的定力矩(50 N·m)手動(dòng)力矩扳手無(wú)法松動(dòng)二次側(cè)人孔法蘭螺栓。將螺栓拉伸機(jī)工作壓力提高至最大允許壓力后，螺栓拉伸量達(dá)到最大伸長(zhǎng)量0.011″(0.2794 mm)，仍然無(wú)法松動(dòng)人孔螺栓，最終在設(shè)計(jì)方許可下用敲擊呆扳手的方法將螺栓松開(kāi)。經(jīng)過(guò)實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)，其他多臺(tái)SG均發(fā)生了類(lèi)似的情況。

圖1 SG二次側(cè)人孔法蘭螺栓及螺栓拉伸機(jī)裝配示意

圖2 SG人孔法蘭雙頭螺栓示意

1 螺栓緊固控制方法

典型的螺栓緊固控制方法有扭矩控制法、轉(zhuǎn)角控制法、扭矩/轉(zhuǎn)角控制法、扭矩斜率控制法、伸長(zhǎng)量控制法等。選擇螺紋聯(lián)接的擰緊方法應(yīng)針對(duì)初始預(yù)緊力離散度的要求、預(yù)緊力的大小、使用條件等進(jìn)行選擇［2］?；赟G人孔法蘭螺栓在制造廠采用力矩扳手緊固，在安裝現(xiàn)場(chǎng)選用螺栓拉伸機(jī)進(jìn)行松動(dòng)、緊固。因此，文中僅選用扭矩控制法、伸長(zhǎng)量控制法對(duì)SG人孔法蘭螺栓的緊固、松動(dòng)過(guò)程進(jìn)行理論公式的校核計(jì)算。

由擰緊力矩計(jì)算公式［2－3］可知，螺栓的擰緊力矩與螺栓的摩擦副及物理參數(shù)有關(guān)，螺栓初始預(yù)緊力的離散度隨著擰緊時(shí)摩擦損耗等因素而變化［2－4］;此外，采用扭矩控制法時(shí)，預(yù)緊力的大小還與螺母的擰緊速度等因素有關(guān)［5］。試驗(yàn)表明［3］，多數(shù)螺栓在緊固時(shí)，預(yù)緊力和擰緊力矩是非線性關(guān)系。采用伸長(zhǎng)量控制法時(shí)，在屈服點(diǎn)以前，螺栓的拉伸變形屬于彈性變形，預(yù)緊力與拉伸量呈線性關(guān)系。文獻(xiàn)資料表明［3，6－8］，采用扭矩控制法時(shí)，由于存在螺紋副間的螺紋力矩和螺母支承面上的摩擦力矩，螺栓預(yù)緊力離散范圍較大。而螺栓的伸長(zhǎng)量?jī)H與螺栓應(yīng)力有關(guān)，可以精確控制螺栓預(yù)緊力［3］，王德新等［9］的研究也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

2 螺栓預(yù)緊力的計(jì)算

2.1 扭矩控制法計(jì)算

2.1.1 螺栓緊固力

采用扭矩控制法對(duì)螺栓進(jìn)行緊固時(shí)，輸入的力矩包括用于拉伸螺栓的力矩、克服螺紋副間的摩擦力矩和螺母支承面上的摩擦力矩。因此，螺栓緊固力矩計(jì)算公式如下［3］:

式中 T——緊固力矩，N·m，設(shè)計(jì)值為2169.3 N·m

F'1——預(yù)緊力，N

p——螺距，mm，p=3.2 mm

μ——螺紋副的摩擦系數(shù)，暫取0.09

r2——螺紋中徑，mm，r2=1.7878″(45.41 mm)

n——螺紋線數(shù)，n=1［10］

d2——螺紋中徑，mm，d2=r2=1.7878″(45.41 mm)

μn——支承面的摩擦系數(shù)，暫取 0.09

rn——圓環(huán)面的當(dāng)量摩擦半徑，m，rn=(－)/［3(－)］

D1——六角螺母支承面外徑，mm，D1=2.82″(71.6 mm)

D0——六角螺母支承面內(nèi)徑，mm，D0=2.06″(52.4 mm)

依據(jù)以上數(shù)據(jù)，計(jì)算得:螺紋升角β=1.29°、圓環(huán)面的當(dāng)量摩擦半徑rn=0.0312 m。將上述各值代入式(1)中，計(jì)算可得預(yù)緊力:

F'1=292942 N

人孔法蘭螺栓涂抹潤(rùn)滑劑后，其表面的摩擦系數(shù)為0.03～0.09。當(dāng)螺紋副的摩擦系數(shù)μ、支承面的摩擦系數(shù)μn取不同值時(shí)，由式(1)計(jì)算得不同摩擦系數(shù)下的螺栓預(yù)緊力F'1，見(jiàn)表1。

表1 扭矩法緊固時(shí)不同摩擦系數(shù)狀態(tài)下的螺栓預(yù)緊力 N

SG二次側(cè)人孔螺栓預(yù)緊力設(shè)計(jì)值為350000～426000 N。由表1可知，在給人孔法蘭螺栓施加額定扭矩時(shí)，隨著摩擦系數(shù)μ，μn的減小，螺栓預(yù)緊力會(huì)增加。同時(shí)，如果螺栓潤(rùn)滑不充分，即摩擦系數(shù)μ，μn較大時(shí)，螺栓預(yù)緊力會(huì)小于設(shè)計(jì)值，見(jiàn)表1陰影區(qū)左上部分;當(dāng)螺栓潤(rùn)滑充分時(shí)，即μ，μn較小時(shí)，螺栓預(yù)緊力將變大，甚至?xí)笥谠O(shè)計(jì)值，見(jiàn)表1中陰影區(qū)右下部分。選取如表1中的摩擦系數(shù)進(jìn)行校核計(jì)算時(shí)，有17組數(shù)值的螺栓預(yù)緊力能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)表1中陰影區(qū)。

2.1.2 螺栓松動(dòng)力

采用扭矩控制法對(duì)螺栓進(jìn)行松動(dòng)時(shí)，螺栓力矩計(jì)算公式如下［3］:

式中 T1——采用手動(dòng)力矩扳手松動(dòng)螺栓時(shí)的力矩，N·m，設(shè)計(jì)值為50 N·m

F'2——松動(dòng)力，N

d2——螺紋中徑，mm，d2=1.7878″(45.41 mm)

ρ'——當(dāng)量摩擦角，°，ρ'=tan－1(μn/cosα)

α——垂直截面牙形半角，°，α =tan－1(tanα'cosβ)

α'——軸向截面牙形半角，°，α'=30°由2.1.1 節(jié)可知，螺紋升角 β =1.29°、圓環(huán)面的當(dāng)量摩擦半徑rn=0.0312 m。根據(jù)上述數(shù)值，計(jì)算可得:ρ'=5.93°。

將上述各值代入式(2)中，可得螺栓松動(dòng)力:

F'2=10748 N

即施加50 N·m的螺栓松動(dòng)力矩后，人孔法蘭螺栓的預(yù)緊力將減少10748 N。按照螺栓潤(rùn)滑后摩擦系數(shù)取值在0.03～0.09之間考慮，則支承面的摩擦系數(shù)μn取不同值時(shí)，由式(2)計(jì)算得不同摩擦系數(shù)下的螺栓松動(dòng)力F'2，見(jiàn)表2。

表2 螺栓松動(dòng)時(shí)不同摩擦系數(shù)狀態(tài)下的螺栓預(yù)緊力

由表2可知，螺母支撐面潤(rùn)滑越充分，用同樣的螺栓緊固力矩(50 N·m)去松動(dòng)螺栓時(shí)，原螺栓預(yù)緊力將減少得更多。

2.2 伸長(zhǎng)量控制法計(jì)算

SG一次側(cè)及二次側(cè)人孔法蘭中的雙頭螺栓均屬于易伸長(zhǎng)螺栓［6］，依據(jù)圖1及圖2，其受拉力后的伸長(zhǎng)量計(jì)算式為［6］:

式中 εf——螺栓伸長(zhǎng)量，mm，其設(shè)計(jì)值為0.01″(0.254 mm)

Ff——螺栓預(yù)緊力，N

Eb——螺栓的彈性模量，MPa，Eb=2.06 ×105MPa

la——螺栓光桿部分長(zhǎng)度，mm，4.06″(103.1 mm)

A——螺栓光桿部分面積，mm2，A=πD2/4

D——光桿部分直徑，mm，D=1.695″(43.06 mm)

lδ——螺栓螺紋部分與SG本體的旋合螺紋段彈性變形等效長(zhǎng)度，mm，lδ=0.5d

d——公稱(chēng)直徑，mm，d=1.875″(47.625 mm)

l'δ——螺栓螺紋部分與螺栓拉伸機(jī)的旋合螺紋段彈性變形等效長(zhǎng)度，mm，l'δ=0.6d

ls——螺栓螺紋部分下端未旋合的長(zhǎng)度，mm，ls=25.25 mm

l's——螺栓螺紋部分上端(受力段)未旋合的長(zhǎng)度，mm，l's=152.1 mm

As——螺栓螺紋段有效面積，mm2，As=π/4

d2——有效直徑，mm，d2=1.7878″(45.41 mm)

將上述各值代入式(3)中，計(jì)算可得預(yù)緊力:

Ff=246056 N

如果考慮設(shè)計(jì)給定的伸長(zhǎng)量公差為±0.001″(0.0254 mm)，按照人孔法蘭螺栓達(dá)到最大伸長(zhǎng)量 0.011″(0.2794 mm)進(jìn)行計(jì)算，螺栓的預(yù)緊力為F'f=270661 N。

2.3 兩種控制方法計(jì)算結(jié)果的比較

由上述計(jì)算結(jié)果可知，螺栓潤(rùn)滑后，無(wú)論螺紋副的摩擦系數(shù)μ及支承面的摩擦系數(shù)μn取0.03～0.09范圍內(nèi)的任意值，用扭矩控制法緊固后的螺栓預(yù)緊力F'1都大于用螺栓伸長(zhǎng)量控制法產(chǎn)生的預(yù)緊力F'f。因此，在制造廠用扭矩控制法緊固后，現(xiàn)場(chǎng)采用螺栓伸長(zhǎng)量控制法松動(dòng)人孔法蘭螺栓至設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)量時(shí)，只能卸除部分螺栓預(yù)緊力。此時(shí)，用手動(dòng)力矩扳手施加50 N·m的力矩值無(wú)法克服螺母與球面墊圈之間的摩擦力矩。該螺栓的螺母與球面墊圈結(jié)合處尚殘余至少22281 N(F'1－F'f)的預(yù)緊力，此預(yù)緊力比手動(dòng)力矩扳手產(chǎn)生的預(yù)緊力(10748 N)大。

假設(shè)AP1000 SG二次側(cè)人孔法蘭螺栓經(jīng)過(guò)潤(rùn)滑、緊固后的螺栓預(yù)緊力能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。那么將表1中陰影區(qū)內(nèi)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的17組數(shù)值與采用伸長(zhǎng)量控制法產(chǎn)生的最大螺栓預(yù)緊力(F'f=270661 N)對(duì)比計(jì)算后，可得出表3中陰影區(qū)內(nèi)的17組數(shù)值。

表3 不同摩擦系數(shù)狀態(tài)下螺栓預(yù)緊力的比較差值

由表3可以看出，螺栓拉伸機(jī)將人孔法蘭螺栓拉伸到最大允許伸長(zhǎng)量值后，只能卸除部分螺栓預(yù)緊力，無(wú)法克服螺母與球面墊圈之間的摩擦力矩，即無(wú)法松動(dòng)人孔法蘭螺栓。

3 結(jié)論

(1)螺栓的螺紋副摩擦系數(shù)及螺母支承面摩擦系數(shù)越小，用扭矩控制法緊固的螺栓預(yù)緊力會(huì)越大，即螺栓潤(rùn)滑狀態(tài)越好，緊固后，螺栓的預(yù)緊力將越大;螺栓潤(rùn)滑適度的情況下，緊固后的螺栓預(yù)緊力大小能夠滿(mǎn)足緊固螺栓的需要。

(2)螺栓拉伸機(jī)將人孔法蘭螺栓拉伸到最大允許伸長(zhǎng)量值后，只能卸除部分螺栓預(yù)緊力，無(wú)法克服螺母與球面墊圈之間的摩擦力矩，這是施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法用螺栓拉伸機(jī)松動(dòng)人孔法蘭螺栓的根本原因。

(3)用螺栓拉伸機(jī)緊固后，螺栓的預(yù)緊力比用扭矩扳手緊固后的預(yù)緊力小，需對(duì)螺栓拉伸機(jī)緊固后螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行校核，以確認(rèn)在運(yùn)行狀態(tài)下蒸汽發(fā)生器無(wú)泄露風(fēng)險(xiǎn)。

4 建議

基于上述分析，建議選用以下4個(gè)方案中的一個(gè)或多個(gè)方案，以解決用扭矩扳手緊固后的螺栓無(wú)法用螺栓拉伸機(jī)松動(dòng)的實(shí)際工程問(wèn)題。

(1)采用扭矩控制法緊固SG人孔法蘭螺栓時(shí)，可依據(jù)SG水壓試驗(yàn)參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，按照螺栓預(yù)緊力，用試驗(yàn)方法求得擰緊力矩系數(shù)，用于指導(dǎo)制造廠和核電站的SG人孔法蘭螺栓的拆裝，從而保證人孔法蘭的密封性，避免泄漏事故的發(fā)生。

(2)采用伸長(zhǎng)量控制法緊固SG人孔法蘭螺栓時(shí)，應(yīng)重新校核伸長(zhǎng)量與預(yù)緊力的關(guān)系。也可以采用基于有限元理論的數(shù)值模擬分析方法，以使得計(jì)算結(jié)果更加接近真實(shí)情況，然后在數(shù)值分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，重新選定與螺栓伸長(zhǎng)量匹配的螺栓拉伸機(jī)。

(3)同時(shí)采用扭矩控制法和伸長(zhǎng)量控制法時(shí)，應(yīng)在保證SG人孔法蘭密封性的前提下，通過(guò)校核螺栓預(yù)緊力，使扭矩控制法和伸長(zhǎng)量控制法產(chǎn)生的螺栓預(yù)緊力相互匹配，以確保無(wú)論采用哪一種螺栓緊固方法都能滿(mǎn)足螺栓的拆裝需要。這一點(diǎn)在其他制造廠制造的SG上已得到相互匹配的驗(yàn)證。

總之，由于采用扭矩控制法產(chǎn)生的預(yù)緊力受諸多因素的影響，如螺栓潤(rùn)滑狀態(tài)、表面清潔程度等，使得螺栓的預(yù)緊力精度難于控制，因此對(duì)于諸如SG人孔法蘭這類(lèi)對(duì)密封性要求較高的場(chǎng)合不宜采用，而應(yīng)該采用影響因素單一、預(yù)緊力離散度小、精度較高的伸長(zhǎng)量控制法進(jìn)行預(yù)緊。

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