反應(yīng)堆壓力容器主螺栓拉伸裝置設(shè)計(jì)分析

林天龍 ，孫 宇 ，文小軍 ，隆 濤

（1．海軍裝備部潛艇裝備局，北京 100053；2.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610005）

0 引言

隨著《核安全法》的出臺，國家對核安全的關(guān)注提高到了空前高度。反應(yīng)堆壓力容器是核島一回路冷卻劑系統(tǒng)重要的壓力邊界[1，2]，密封性要求極高，其主要通過預(yù)緊主螺栓壓縮壓力容器與頂蓋之間的金屬密封件實(shí)現(xiàn)密封。

反應(yīng)堆壓力容器主螺栓拉伸裝置（簡稱主螺栓拉伸裝置）是主螺栓預(yù)緊的重要、關(guān)鍵設(shè)備[3-6]，大多采用液壓拉伸技術(shù)實(shí)現(xiàn)主螺栓的拉伸預(yù)緊，是確保反應(yīng)堆密封性的關(guān)鍵。目前，主螺栓拉伸裝置主要采用進(jìn)口產(chǎn)品，為了實(shí)現(xiàn)主螺栓裝置的國產(chǎn)化，我國大量學(xué)者對其進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，并應(yīng)用ANSYS對其進(jìn)行應(yīng)力分析，如褚福國[3]、劉俊杰[4]、龐厚華[5]、馬麗娜[6]，李文霏[7]，陳立勝[8]等人。但是，國內(nèi)研發(fā)的主螺栓拉伸裝置存在拉伸器體積大、拉力小、效率低的問題[5，7]，而且很難提供成套的一體化設(shè)備，控制精度較低?；诖?，研發(fā)了主螺栓十字拉伸一體化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)4臺主螺栓同時(shí)拉伸預(yù)緊，提高工作效率和控制精度。

本裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用將有助于該產(chǎn)品國產(chǎn)化，為了實(shí)現(xiàn)主螺栓整體拉伸奠定基礎(chǔ)，對我國核電事業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

1 主螺栓拉伸裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 螺栓拉伸預(yù)緊原理

通常，大直徑螺栓常見的預(yù)緊方式有三種：力矩方式、加熱方式和拉伸方式。拉伸方式可以精確控制預(yù)緊力（控制精度可達(dá)±2.5%）而被核電站廣泛采用，主要用于反應(yīng)堆壓力容器主螺栓拉伸預(yù)緊。

常見的螺栓拉伸器如圖1所示，工作原理為：將螺栓拉伸器安裝在目標(biāo)螺栓上，利用棘輪扳手旋入拉伸芯桿使其與螺栓上段連接，液壓泵通過油嘴向液壓缸試壓使活塞向上運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)拉伸芯桿向上移動(dòng)將螺栓拉伸（產(chǎn)生彈性變形），螺母與法蘭之間產(chǎn)生一定間隙，通過棘輪扳手旋轉(zhuǎn)螺母旋緊齒輪副，使螺母與法蘭貼合，泄壓后螺栓隨即上緊。

圖1 常見螺栓拉伸器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 設(shè)計(jì)要求

基于某反應(yīng)堆壓力容器主螺栓各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，結(jié)合使用環(huán)境，對主螺栓拉伸裝置提出了如下設(shè)計(jì)要求：

（1）整體結(jié)構(gòu)合理，便于安裝；

（2）能實(shí)現(xiàn)4組主螺栓同步拉伸；

（3）能實(shí)現(xiàn)4臺拉伸機(jī)同時(shí)升降、旋轉(zhuǎn)，滿足工位變換需求；

（4）拉伸機(jī)具備自動(dòng)旋芯功能，即拉伸芯桿與主螺栓M85段自動(dòng)連接；

（5）拉伸機(jī)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)松緊主螺母功能，且手動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度可控制；

（6）液壓系統(tǒng)油壓可調(diào)，系統(tǒng)油路連接簡便、快捷。

1.3 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過方案論證、設(shè)計(jì)，形成了如圖2所示的總體結(jié)構(gòu)，螺栓拉伸裝置主要由4臺螺栓拉伸機(jī)、1套旋轉(zhuǎn)支架和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。

圖2 主螺栓拉伸裝置總體結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)主要由螺栓拉伸機(jī)液壓泵控制系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)支架控制系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)拉伸壓力精確控制，工位自動(dòng)變換。

2 主螺栓拉伸裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 螺栓拉伸機(jī)

螺栓拉伸機(jī)是系統(tǒng)核心部件，主要由自動(dòng)旋芯模塊、液壓缸、自動(dòng)擰螺母模塊及支撐橋組成，如圖3所示。

圖3 螺栓拉伸機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

工作油壓最大150 MPa，最大拉伸力380 N.與常見螺栓拉伸器工作原理一致，只是該設(shè)備更先進(jìn)，自動(dòng)化程度更高，具備以下功能：

（1）自動(dòng)旋芯：設(shè)備安裝后，自動(dòng)旋芯模塊實(shí)現(xiàn)拉伸芯桿與主螺栓自動(dòng)連接。

（2）自動(dòng)擰螺母：主螺栓拉伸后，自動(dòng)擰螺母模塊實(shí)現(xiàn)主螺母自動(dòng)擰緊。

（3）自適應(yīng)結(jié)構(gòu)：液壓缸與支撐橋采用組合式結(jié)構(gòu)，球面接觸，可以適應(yīng)主螺栓中心線與豎直線0.5°傾斜，保證拉伸芯桿與主螺栓順利連接。

（4）拉伸芯桿壽命監(jiān)測：液壓缸上設(shè)置油壓監(jiān)測計(jì)數(shù)器，當(dāng)油壓不小于70 MPa時(shí)，計(jì)數(shù)器跳動(dòng)一次，以此作為拉伸芯桿拉伸次數(shù)，當(dāng)拉伸次數(shù)超過2 000次時(shí)更換拉伸芯桿。

（5）活塞自動(dòng)回位：液壓缸活塞上端設(shè)計(jì)蝶形彈簧，縮短泄壓后活塞回位時(shí)間，提高工作效率。

2.2 旋轉(zhuǎn)支架

旋轉(zhuǎn)支架主要由支承平臺、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、頂升系統(tǒng)和吊裝平臺組成，如圖4所示。安裝在反應(yīng)堆頂蓋上，實(shí)現(xiàn)四臺螺栓拉伸機(jī)整體同步升降和旋轉(zhuǎn)，便于拉伸工位變換，實(shí)現(xiàn)所有主螺栓拉伸。

圖4 十字旋轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)示意圖

吊裝平臺提供4個(gè)吊點(diǎn)，用于吊裝4臺螺栓拉伸機(jī)，由方鋼焊接而成，中間設(shè)置4個(gè)導(dǎo)套。

升降系統(tǒng)主要由4根導(dǎo)向軸組件、導(dǎo)向套與電動(dòng)頂升缸組成。電動(dòng)頂升缸利用絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為平臺的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)吊裝平臺的頂升，采用模塊化設(shè)計(jì)。

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)支承組成，用于升降系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。

支承平臺主要用于旋轉(zhuǎn)支架安裝、固定，控制柜安裝及人員操作平臺。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要分為液壓控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)支架控制系統(tǒng)和氣動(dòng)控制系統(tǒng)。

（1）液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)主要用于控制液壓泵向串聯(lián)的4臺螺栓拉伸機(jī)輸入指定壓力的液壓油，系統(tǒng)原理圖如圖5所示，由自動(dòng)壓力控制器和遙控手柄組成。

圖5 液壓控制系統(tǒng)圖

（2）旋轉(zhuǎn)支架控制系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)支架控制系統(tǒng)采用倍福PLC作為主控單元，通過PLC的Ethercat總線模塊控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和頂升機(jī)構(gòu)伺服運(yùn)動(dòng)。PLC以太網(wǎng)模塊與控制觸摸屏之間通過以太網(wǎng)通信，所有的伺服控制指令通過觸摸屏的按鍵發(fā)出，觸摸屏還可顯示已完成拉伸的工位的信息、當(dāng)前工位的工作狀態(tài)、伺服驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)信息，其控制系統(tǒng)框圖如圖6所示

圖6 旋轉(zhuǎn)支撐架控制系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)通過觸摸屏上的按鈕可以設(shè)定頂升機(jī)構(gòu)的速度，通過觸摸屏按鈕控制頂升機(jī)構(gòu)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，也可以設(shè)定機(jī)構(gòu)的頂升高度，控制頂升機(jī)構(gòu)直接到達(dá)該位置。當(dāng)頂升機(jī)構(gòu)到達(dá)限位位置時(shí)，顯示限位信息。通過觸摸屏按鈕還可以控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以設(shè)定旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)角度值，實(shí)現(xiàn)4臺螺栓拉伸機(jī)工位變換。

該系統(tǒng)可以通過不同的顏色表示各組螺栓的拉伸情況，避免了重復(fù)拉伸和遺漏的情況發(fā)生。

（3）氣動(dòng)控制系統(tǒng)

氣動(dòng)控制系統(tǒng)主要用于控制螺栓拉伸機(jī)自動(dòng)旋芯模塊和自動(dòng)擰螺母模塊的2臺氣動(dòng)馬達(dá)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止，由氣源、儲(chǔ)氣罐、換向閥及氣路組成。

3 關(guān)鍵部件分析計(jì)算

本裝置主要承力部件為液壓缸、拉伸芯桿和支撐橋。液壓缸國內(nèi)外研究較多，已較成熟；拉伸芯桿與支撐橋受力相同，前者為規(guī)則的圓柱體，后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本次選擇支撐橋進(jìn)行分析校核計(jì)算。

支撐橋在工作中需承受最大380 N的壓載，承受載荷較大，本方案采用有限元靜力學(xué)方法對其主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。

（1）載荷分析

支撐橋頂面承受來自于液壓缸的反作用壓力380 N，底面與反應(yīng)堆頂蓋法蘭頂面貼合，同時(shí)受重力作用。

（2）模型建立

建立液壓缸的簡化模型作為壓力傳遞體，以模擬真實(shí)載荷情況。同時(shí)，為了進(jìn)一步分析支撐橋底部承載法蘭的接觸應(yīng)力，建立支撐橋底部承載法蘭的接觸部分模型，并建立接觸關(guān)系。

（3）網(wǎng)格劃分、約束與加載

采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有單元70 120個(gè)。

對支撐橋底面進(jìn)行固定約束，對支撐橋頂面與拉伸缸簡化模型底面建立粗摩擦接觸關(guān)系，液壓缸簡化模型頂面施加3 800 kN均布壓力。加載后的模型如圖7所示。

圖7 模型網(wǎng)格劃分及約束加載

（4）計(jì)算及結(jié)果

分析計(jì)算得到的應(yīng)力分布見圖8所示，其表明支撐橋最大應(yīng)力為634.76 MPa.

（接上圖）

圖8 計(jì)算結(jié)果

支撐橋材料為20SiMn2MoVe的合金結(jié)構(gòu)鋼，其許用應(yīng)力限值約為761.71 MPa，力學(xué)性能滿足使用要求。

底部承載面最大接觸應(yīng)力約350 MPa，未超過反應(yīng)堆頂蓋材料許用應(yīng)力，不會(huì)對頂蓋造成損傷。

4 結(jié)束語

本文基于某反應(yīng)堆壓力容器主螺栓各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和使用環(huán)境，對主螺栓拉伸裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵部件進(jìn)行了分析計(jì)算。加工制造后進(jìn)行了調(diào)試優(yōu)化，現(xiàn)已成功應(yīng)用于某工程。實(shí)踐證明，裝置安全可靠，滿足現(xiàn)場使用各項(xiàng)要求，很大程度提高了工作效率。