AP1000蒸汽发生器人孔法兰螺栓预紧力校核

魏小宝

(国核工程有限公司，上海 200233)

0 引言

AP1000核电站的蒸汽发生器(Steam Generator，以下简称为SG)均有4个人孔法兰，2个一次侧人孔法兰位于SG的下封头;2个二次侧人孔法兰位于SG二次侧筒体(汽鼓)上，呈左右对称分布［1］。人孔法兰的螺栓绕圆形法兰呈对称分布，螺栓规格为1.875″－8UNR －2A(47.625 mm)、螺栓长 17.11″(344.6 mm)，螺栓设有中心孔，中心孔内设置有螺栓伸长量测量杆，螺栓中心孔两端均有内螺纹孔，以便安装螺栓伸长量测量杆和百分表使用，参见图1，2。每个螺栓配有1个六角螺母和1组球面垫圈。人孔法兰由石墨金属缠绕垫片进行密封。

某核电站计划用整体螺栓拉伸机拆卸SG二次侧人孔法兰以安装吊装用的耳轴，用于翻转、吊装SG。螺栓拉伸机安装稳妥后，操作螺栓拉伸机将法兰螺栓拉伸到设计伸长量0.01″(0.254 mm)后发现，用螺栓拉伸机配套的定力矩(50 N·m)手动力矩扳手无法松动二次侧人孔法兰螺栓。将螺栓拉伸机工作压力提高至最大允许压力后，螺栓拉伸量达到最大伸长量0.011″(0.2794 mm)，仍然无法松动人孔螺栓，最终在设计方许可下用敲击呆扳手的方法将螺栓松开。经过实际操作发现，其他多台SG均发生了类似的情况。

图1 SG二次侧人孔法兰螺栓及螺栓拉伸机装配示意

图2 SG人孔法兰双头螺栓示意

1 螺栓紧固控制方法

典型的螺栓紧固控制方法有扭矩控制法、转角控制法、扭矩/转角控制法、扭矩斜率控制法、伸长量控制法等。选择螺纹联接的拧紧方法应针对初始预紧力离散度的要求、预紧力的大小、使用条件等进行选择［2］。基于SG人孔法兰螺栓在制造厂采用力矩扳手紧固，在安装现场选用螺栓拉伸机进行松动、紧固。因此，文中仅选用扭矩控制法、伸长量控制法对SG人孔法兰螺栓的紧固、松动过程进行理论公式的校核计算。

由拧紧力矩计算公式［2－3］可知，螺栓的拧紧力矩与螺栓的摩擦副及物理参数有关，螺栓初始预紧力的离散度随着拧紧时摩擦损耗等因素而变化［2－4］;此外，采用扭矩控制法时，预紧力的大小还与螺母的拧紧速度等因素有关［5］。试验表明［3］，多数螺栓在紧固时，预紧力和拧紧力矩是非线性关系。采用伸长量控制法时，在屈服点以前，螺栓的拉伸变形属于弹性变形，预紧力与拉伸量呈线性关系。文献资料表明［3，6－8］，采用扭矩控制法时，由于存在螺纹副间的螺纹力矩和螺母支承面上的摩擦力矩，螺栓预紧力离散范围较大。而螺栓的伸长量仅与螺栓应力有关，可以精确控制螺栓预紧力［3］，王德新等［9］的研究也验证了这一点。

2 螺栓预紧力的计算

2.1 扭矩控制法计算

2.1.1 螺栓紧固力

采用扭矩控制法对螺栓进行紧固时，输入的力矩包括用于拉伸螺栓的力矩、克服螺纹副间的摩擦力矩和螺母支承面上的摩擦力矩。因此，螺栓紧固力矩计算公式如下［3］:

式中 T——紧固力矩，N·m，设计值为2169.3 N·m

F'1——预紧力，N

p——螺距，mm，p=3.2 mm

μ——螺纹副的摩擦系数，暂取0.09

r2——螺纹中径，mm，r2=1.7878″(45.41 mm)

n——螺纹线数，n=1［10］

d2——螺纹中径，mm，d2=r2=1.7878″(45.41 mm)

μn——支承面的摩擦系数，暂取 0.09

rn——圆环面的当量摩擦半径，m，rn=(－)/［3(－)］

D1——六角螺母支承面外径，mm，D1=2.82″(71.6 mm)

D0——六角螺母支承面内径，mm，D0=2.06″(52.4 mm)

依据以上数据，计算得:螺纹升角β=1.29°、圆环面的当量摩擦半径rn=0.0312 m。将上述各值代入式(1)中，计算可得预紧力:

F'1=292942 N

人孔法兰螺栓涂抹润滑剂后，其表面的摩擦系数为0.03～0.09。当螺纹副的摩擦系数μ、支承面的摩擦系数μn取不同值时，由式(1)计算得不同摩擦系数下的螺栓预紧力F'1，见表1。

表1 扭矩法紧固时不同摩擦系数状态下的螺栓预紧力 N

SG二次侧人孔螺栓预紧力设计值为350000～426000 N。由表1可知，在给人孔法兰螺栓施加额定扭矩时，随着摩擦系数μ，μn的减小，螺栓预紧力会增加。同时，如果螺栓润滑不充分，即摩擦系数μ，μn较大时，螺栓预紧力会小于设计值，见表1阴影区左上部分;当螺栓润滑充分时，即μ，μn较小时，螺栓预紧力将变大，甚至会大于设计值，见表1中阴影区右下部分。选取如表1中的摩擦系数进行校核计算时，有17组数值的螺栓预紧力能满足设计要求，见表1中阴影区。

2.1.2 螺栓松动力

采用扭矩控制法对螺栓进行松动时，螺栓力矩计算公式如下［3］:

式中 T1——采用手动力矩扳手松动螺栓时的力矩，N·m，设计值为50 N·m

F'2——松动力，N

d2——螺纹中径，mm，d2=1.7878″(45.41 mm)

ρ'——当量摩擦角，°，ρ'=tan－1(μn/cosα)

α——垂直截面牙形半角，°，α =tan－1(tanα'cosβ)

α'——轴向截面牙形半角，°，α'=30°由2.1.1 节可知，螺纹升角 β =1.29°、圆环面的当量摩擦半径rn=0.0312 m。根据上述数值，计算可得:ρ'=5.93°。

将上述各值代入式(2)中，可得螺栓松动力:

F'2=10748 N

即施加50 N·m的螺栓松动力矩后，人孔法兰螺栓的预紧力将减少10748 N。按照螺栓润滑后摩擦系数取值在0.03～0.09之间考虑，则支承面的摩擦系数μn取不同值时，由式(2)计算得不同摩擦系数下的螺栓松动力F'2，见表2。

表2 螺栓松动时不同摩擦系数状态下的螺栓预紧力

由表2可知，螺母支撑面润滑越充分，用同样的螺栓紧固力矩(50 N·m)去松动螺栓时，原螺栓预紧力将减少得更多。

2.2 伸长量控制法计算

SG一次侧及二次侧人孔法兰中的双头螺栓均属于易伸长螺栓［6］，依据图1及图2，其受拉力后的伸长量计算式为［6］:

式中 εf——螺栓伸长量，mm，其设计值为0.01″(0.254 mm)

Ff——螺栓预紧力，N

Eb——螺栓的弹性模量，MPa，Eb=2.06 ×105MPa

la——螺栓光杆部分长度，mm，4.06″(103.1 mm)

A——螺栓光杆部分面积，mm2，A=πD2/4

D——光杆部分直径，mm，D=1.695″(43.06 mm)

lδ——螺栓螺纹部分与SG本体的旋合螺纹段弹性变形等效长度，mm，lδ=0.5d

d——公称直径，mm，d=1.875″(47.625 mm)

l'δ——螺栓螺纹部分与螺栓拉伸机的旋合螺纹段弹性变形等效长度，mm，l'δ=0.6d

ls——螺栓螺纹部分下端未旋合的长度，mm，ls=25.25 mm

l's——螺栓螺纹部分上端(受力段)未旋合的长度，mm，l's=152.1 mm

As——螺栓螺纹段有效面积，mm2，As=π/4

d2——有效直径，mm，d2=1.7878″(45.41 mm)

将上述各值代入式(3)中，计算可得预紧力:

Ff=246056 N

如果考虑设计给定的伸长量公差为±0.001″(0.0254 mm)，按照人孔法兰螺栓达到最大伸长量 0.011″(0.2794 mm)进行计算，螺栓的预紧力为F'f=270661 N。

2.3 两种控制方法计算结果的比较

由上述计算结果可知，螺栓润滑后，无论螺纹副的摩擦系数μ及支承面的摩擦系数μn取0.03～0.09范围内的任意值，用扭矩控制法紧固后的螺栓预紧力F'1都大于用螺栓伸长量控制法产生的预紧力F'f。因此，在制造厂用扭矩控制法紧固后，现场采用螺栓伸长量控制法松动人孔法兰螺栓至设计伸长量时，只能卸除部分螺栓预紧力。此时，用手动力矩扳手施加50 N·m的力矩值无法克服螺母与球面垫圈之间的摩擦力矩。该螺栓的螺母与球面垫圈结合处尚残余至少22281 N(F'1－F'f)的预紧力，此预紧力比手动力矩扳手产生的预紧力(10748 N)大。

假设AP1000 SG二次侧人孔法兰螺栓经过润滑、紧固后的螺栓预紧力能够满足设计要求。那么将表1中阴影区内满足设计要求的17组数值与采用伸长量控制法产生的最大螺栓预紧力(F'f=270661 N)对比计算后，可得出表3中阴影区内的17组数值。

表3 不同摩擦系数状态下螺栓预紧力的比较差值

由表3可以看出，螺栓拉伸机将人孔法兰螺栓拉伸到最大允许伸长量值后，只能卸除部分螺栓预紧力，无法克服螺母与球面垫圈之间的摩擦力矩，即无法松动人孔法兰螺栓。

3 结论

(1)螺栓的螺纹副摩擦系数及螺母支承面摩擦系数越小，用扭矩控制法紧固的螺栓预紧力会越大，即螺栓润滑状态越好，紧固后，螺栓的预紧力将越大;螺栓润滑适度的情况下，紧固后的螺栓预紧力大小能够满足紧固螺栓的需要。

(2)螺栓拉伸机将人孔法兰螺栓拉伸到最大允许伸长量值后，只能卸除部分螺栓预紧力，无法克服螺母与球面垫圈之间的摩擦力矩，这是施工现场无法用螺栓拉伸机松动人孔法兰螺栓的根本原因。

(3)用螺栓拉伸机紧固后，螺栓的预紧力比用扭矩扳手紧固后的预紧力小，需对螺栓拉伸机紧固后螺栓的预紧力进行校核，以确认在运行状态下蒸汽发生器无泄露风险。

4 建议

基于上述分析，建议选用以下4个方案中的一个或多个方案，以解决用扭矩扳手紧固后的螺栓无法用螺栓拉伸机松动的实际工程问题。

(1)采用扭矩控制法紧固SG人孔法兰螺栓时，可依据SG水压试验参数及运行状态参数，按照螺栓预紧力，用试验方法求得拧紧力矩系数，用于指导制造厂和核电站的SG人孔法兰螺栓的拆装，从而保证人孔法兰的密封性，避免泄漏事故的发生。

(2)采用伸长量控制法紧固SG人孔法兰螺栓时，应重新校核伸长量与预紧力的关系。也可以采用基于有限元理论的数值模拟分析方法，以使得计算结果更加接近真实情况，然后在数值分析结果的基础上，重新选定与螺栓伸长量匹配的螺栓拉伸机。

(3)同时采用扭矩控制法和伸长量控制法时，应在保证SG人孔法兰密封性的前提下，通过校核螺栓预紧力，使扭矩控制法和伸长量控制法产生的螺栓预紧力相互匹配，以确保无论采用哪一种螺栓紧固方法都能满足螺栓的拆装需要。这一点在其他制造厂制造的SG上已得到相互匹配的验证。

总之，由于采用扭矩控制法产生的预紧力受诸多因素的影响，如螺栓润滑状态、表面清洁程度等，使得螺栓的预紧力精度难于控制，因此对于诸如SG人孔法兰这类对密封性要求较高的场合不宜采用，而应该采用影响因素单一、预紧力离散度小、精度较高的伸长量控制法进行预紧。

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