CPR1000反应堆压力容器主螺栓预紧过程分析

CPR1000反应堆压力容器主螺栓预紧过程分析

胡大芬，刘刚，王春发

（深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳518172）

论述并分析了采用单体螺栓拉伸机预紧CPR1000反应堆压力容器主螺栓的过程，并在此基础上对比分析了各组主螺栓在同一拉伸阶段使用相同拉伸载荷和使用不同拉伸载荷两种预紧方式对主螺栓残余预紧载荷分布的影响，结果表明：预紧后面的主螺栓会对已预紧的主螺栓产生卸载影响；随着对各主螺栓的进一步拉伸，各主螺栓残余预紧载荷的均匀性和离散度会更好；采用对各组主螺栓在同一拉伸阶段使用不同拉伸载荷的预紧方式，其主螺栓残余预紧载荷的均匀性和离散度均要优于使用相同拉伸载荷预紧方式的对应值，且其最终需进行残余预紧载荷调整的主螺栓数量明显减少。

反应堆压力容器；主螺栓；预紧；残余预紧载荷；均匀性

0　引言

反应堆压力容器（RPV）是核电站核岛一回路冷却剂系统的重要压力边界，是核电站的核心设备之一［1］，CPR1000堆型的RPV由顶盖组件、容器组件和主螺栓紧固组件组成，并通过两道C型密封环实现其密封，顶盖法兰、C型密封环、容器法兰和主螺栓紧固件等构成了一个法兰螺栓连接系统（见图1）。RPV的密封性是保证核电站安全运行的关键因素之一［2-3］，而主螺栓的预紧过程、最终残余预紧载荷大小以及其均匀性是保证RPV密封性能的重要前提［4］。

图1　CPR1000 RPV法兰螺栓连接系统

受RPV主螺栓数量较多、螺栓拉伸机数量的限制以及因整体螺栓拉伸机（即一次可以实现全部主螺栓被同时拉伸的设备）故障不可使用等因素影响，需采用单体螺栓拉伸机（即一次仅能对1个主螺栓进行拉伸的设备）对主螺栓进行分阶段、分步拉伸预紧［5］。国内对一般高压容器螺栓的分阶段、分步预紧研究较多［5-7］，但对采用单体螺栓拉伸机拉伸操作的RPV主螺栓分阶段、分步预紧的研究较少［8-10］。

本文将对采用单体螺栓拉伸机拉伸操作的CPR1000 RPV主螺栓预紧过程进行论述，并结合RPV水压试验时主螺栓各拉伸阶段的操作数据，对主螺栓预紧过程进行分析，同时对比讨论各组主螺栓在同一拉伸阶段使用相同拉伸载荷和使用不同拉伸载荷两种预紧方法对主螺栓残余预紧载荷的影响，为国内其他堆型RPV主螺栓的分阶段、分步拉伸提供参考。

1　反应堆压力容器主螺栓的单体拉伸预紧过程

CPR1000 RPV共有58个M155mm×4mm主螺栓（材料为40NCDV7.03），为了直观地显示各主螺栓的残余预紧载荷是否满足设计要求，设计时通过控制主螺栓剩余拉伸量来实现对主螺栓残余预紧载荷的控制。主螺栓剩余拉伸量计算公式如下:

式中ΔL——主螺栓的剩余拉伸量，mm

F——单根主螺栓的残余预紧载荷，N，F=5.11×106N

L——计算主螺栓剩余拉伸量的有效长度，mm，L=1047mm

E——主螺栓材料的弹性模量，MPa，E=2.04×105MPa

当系统检测到监测测点的测值越限时，系统会自动记录越限报警前后各若干分钟的原始数据，并记录报警事件，同时还会在监测画面上以醒目的方式进行提示。此记录能在事件日志中浏览查询和分析，并且推送和发布到所有运行中的监测客户端，Web服务器的客户端会发出警报声，提醒运行人员或专业检修人员及时发现缺陷并及时处理。

A——主螺栓的最小横截面积，mm2，A=1.72×104mm2

根据设计最小值要求并考虑单体螺栓拉伸机的拉伸精度，主螺栓剩余拉伸量工程要求值为1.51～1.61mm。

主螺栓内部有一中心孔，放置用于测量主螺栓剩余拉伸量的伸长测量杆（见图2）。在主螺栓拉伸前，将测量仪表放置在主螺栓顶部，先测量得到伸长测量杆顶部端面至主螺栓顶部端面的初始距离Z0；在主螺栓每一次拉伸结束后，使用相同测量仪表再次测量得到伸长测量杆顶部端面至主螺栓顶部端面的距离Z1，则该次主螺栓拉伸结束后的对应剩余拉伸量即为Z1-Z0。

图2　主螺栓与伸长测量杆装配示意

为保证主螺栓载荷的均匀性和可靠性，设计上要求RPV主螺栓的拉伸分3个阶段进行（即分阶段拉伸），并外加一个调整拉伸阶段，即为保证RPV密封性能，需对最终剩余拉伸量不满足设计要求的主螺栓进行调整拉伸，如图3所示。由于单体螺栓拉伸机数量的限制，需要将58个主螺栓分成15组进行分步拉伸，RPV主螺栓的编号及预紧分组情况如图4所示（采用4部单体螺栓拉伸机对主螺栓进行拉伸），并依次对第1～15组主螺栓进行逐组拉伸（即分步拉伸）。

图3　RPV主螺栓拉伸预紧步骤

图4　RPV主螺栓的编号及分组情况

2　反应堆压力容器主螺栓分阶段分步预紧过程分析

为了更好地对RPV主螺栓分阶段、分步预紧过程进行分析，在RPV水压试验时分别采用了在同一拉伸阶段使用相同拉伸载荷和使用不同拉伸载荷两种方式对各组主螺栓进行预紧，获得了上述两种预紧方式下，主螺栓在不同拉伸阶段的剩余拉伸量试验数据。本文将结合上述试验数据，对主螺栓采用单体螺栓拉伸机分阶段、分步预紧过程进行分析。

2.1两种预紧方式定义

同一拉伸阶段、使用相同拉伸载荷的预紧方式，是指采用单体螺栓拉伸机对各组主螺栓在同一拉伸阶段逐组施加相同的拉伸载荷。同一拉伸阶段、使用不同拉伸载荷的预紧方式是指采用单体螺栓拉伸机对各组主螺栓在同一拉伸阶段逐组施加不同的拉伸载荷（注:同一组中的4个主螺栓的拉伸载荷仍相同）。

图5　前3组主螺栓在预紧过程中剩余拉伸量的变化

由图5可以看出，在先后预紧第2～4组主螺栓的过程中，已预紧的第1组主螺栓剩余拉伸量会逐渐变小，且递减趋势逐渐变弱；同样，在先后预紧第3～4组主螺栓的过程中，已预紧的第2组主螺栓剩余拉伸量也会逐渐减小，这说明预紧后面主螺栓时会使得已被预紧主螺栓的剩余拉伸量发生变化，且会使其剩余拉伸量变小。

图6　各组主螺栓在两种状态下的剩余拉伸量测量值及变化量

如图6所示，其曲线3上各点的值为曲线1与曲线2相应点的纵坐标之差，该曲线代表了某组主螺栓从其预紧完成后至所有主螺栓组预紧完成后这一过程中，其剩余拉伸量累积减小量的变化。由图6可以看出，第1组主螺栓剩余拉伸量累积减小量最大，第15组相应值最小，并呈递减趋势，即越先被预紧的主螺栓组受到其后面主螺栓组预紧载荷的影响就越大，其剩余拉伸量减小得更多，反之影响越小。

因此，在对主螺栓进行分阶段、分步拉伸时，拉伸预紧后面的主螺栓时会对前面已被拉伸预紧的主螺栓有一卸载作用，且越靠后、已预紧的主螺栓组受到其后面主螺栓组预紧载荷的影响就越小。这是因为法兰螺栓连接系统并不是一个完全的刚性体，在主螺栓拉伸载荷的作用下，该系统的顶盖法兰、C形密封环、容器法兰等会产生一定的弹性变形，从而导致拉伸预紧后面的主螺栓时会对前面已被拉伸预紧的主螺栓有卸载作用，而随着主螺栓组的逐步预紧，顶盖法兰、C形密封环、容器法兰等的弹性变形空间会逐渐变小，连接系统的刚度会变得越来越大，此时主螺栓组间预紧载荷的相互影响就会逐渐变小。

2.3主螺栓不同拉伸阶段的残余预紧载荷均匀性变化趋势分析

在预紧RPV主螺栓过程中，至少需经历3个拉伸阶段才能使主螺栓最终剩余拉伸量达到设计要求，采用同一拉伸阶段、施加不同拉伸载荷预紧方式的各组主螺栓，在各拉伸阶段所有主螺栓完成预紧后所测量的剩余伸长量如图7所示，主螺栓剩余拉伸量（即主螺栓残余预紧载荷）在各拉伸阶段的不均匀度和离散度如表1所示。

图7　各拉伸阶段的主螺栓剩余拉伸量测量值

表1　主螺栓剩余拉伸量在各拉伸阶段的不均匀度和离散度

由图7和表1可以看出，从主螺栓第一拉伸阶段到第三拉伸阶段，主螺栓残余预紧载荷的不均匀度和离散度的值越来越小，这说明随着对各主螺栓的逐步拉伸，主螺栓残余预紧载荷分布的均匀性越来越好，这样就越有利于反应堆压力容器的密封。

因RPV法兰螺栓连接系统并非完全的刚性体，在螺栓预紧载荷作用下，顶盖法兰、C形密封环、容器法兰等会产生一定的弹性变形，在初始拉伸阶段这种弹性变形量较大，拉伸预紧后面的主螺栓对前面已被拉伸的主螺栓的卸载作用影响也较大，使得各主螺栓残余预紧载荷间的差值也偏大，而随着对主螺栓的进一步拉伸，法兰螺栓系统各部件的弹性变形空间逐渐变小，法兰连接系统刚度随之增大，使得各主螺栓残余预紧载荷分布的均匀性越来越好。

2.4主螺栓预紧过程中拉伸载荷施加方式对其残余预紧载荷均匀性的影响分析

如第2.3节所述，RPV法兰螺栓连接系统的初始刚度最小，其对主螺栓第一拉伸阶段的预紧影响最大，且连接系统本身是一个非常复杂的非线性系统，其对主螺栓预紧的影响机理也很复杂。为更好地对比说明各组主螺栓在同一拉伸阶段使用相同拉伸载荷和使用不同拉伸载荷两种预紧方式对主螺栓残余预紧载荷分布的影响，尽量减弱系统刚度对主螺栓预紧影响的不确定性，在此仅对采用上述两种预紧方式的主螺栓第二和第三拉伸阶段的数据进行对比分析。

各组主螺栓采用上述两种预紧方式在第二、第三拉伸阶段的预紧载荷大小（只考虑预紧载荷设定值）如图8所示，其对应的各主螺栓剩余伸长量和其不均匀度、离散度分别如图9和表2所示。

图8　两种预紧方式在第二和第三拉伸阶段的预紧载荷大小

图9　两种预紧方式下主螺栓在第二和第三拉伸阶段的剩余拉伸量

表2　两种预紧方式下的主螺栓剩余拉伸量在第二和第三拉伸阶段的不均匀度和离散度

由图9和表2可知，采用对各组主螺栓在同一拉伸阶段施加不同拉伸载荷的预紧方式，在各拉伸阶段其主螺栓剩余拉伸量的不均匀度和离散度，均要低于采用另一种预紧方式（即采用对各组主螺栓在同一拉伸阶段施加相同拉伸载荷的预紧方式）的对应值，即其主螺栓残余预紧载荷的均匀性要优于后一种预紧方式。另外，由图9可知，在经历3个拉伸阶段后，为保证各主螺栓剩余伸长量满足设计要求，采用前一种预紧方式所需调整的主螺栓数量要远小于后一种预紧方式的对应值。

因此，对各组主螺栓在同一拉伸阶段采用不同拉伸载荷，即对先预紧的主螺栓组施加更大些的预紧载荷，使其主螺栓初始残余预紧载荷大一些，这样可部分抵消因拉伸预紧后面的主螺栓会对前面已被拉伸预紧的主螺栓产生卸载作用所带来的影响，从而在某拉伸阶段所有主螺栓被拉伸完成后主螺栓残余预紧载荷的分布更均匀，最终需调整的主螺栓数量也变少。

所以，在采用单体螺栓拉伸机拉伸预紧主螺栓时，可对各组主螺栓在同一拉伸阶段施加不同拉伸载荷，以此来提高主螺栓残余预紧载荷的分布均匀性，并且还能够减少最终需进行残余预紧载荷调整的主螺栓数量，有效缩短整个主螺栓的拉伸时间。

3　结论

论述了采用单体螺栓拉伸机拉伸操作的CPR1000 RPV主螺栓预紧过程，并结合RPV水压试验时主螺栓各拉伸阶段的操作数据，对主螺栓预紧过程进行了分析，同时在此基础上，对比分析了各组主螺栓在同一拉伸阶段、使用相同拉伸载荷和使用不同拉伸载荷两种预紧方式对主螺栓残余预紧载荷的影响，主要结论如下:

（1）在对主螺栓进行分阶段、分步拉伸时，拉伸预紧后面的主螺栓时会对前面已预紧的主螺栓产生卸载作用，即使其残余预紧载荷减小，且越靠后已预紧的主螺栓组受到其后面主螺栓组预紧载荷的影响就越小；

（2）随着对各主螺栓的逐步拉伸，即随着拉伸阶段的发展（指从第一拉伸阶段到第三拉伸阶段），主螺栓残余预紧载荷分布的均匀性会越来越好；

（3）采用对各组主螺栓在同一拉伸阶段、使用不同拉伸载荷的预紧方式，其主螺栓残余预紧载荷均匀性要优于对各组主螺栓在同一拉伸阶段、使用相同拉伸载荷预紧后的对应值，并且其最终需进行残余预紧载荷调整的主螺栓个数也明显减少，有效缩短了整个主螺栓的拉伸时间。

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Pre-tightening Process Analysis of Stud for CPR1000 Reactor Pressure Vessel

HU Da-fen，LIU Gang，WANG Chun-fa
（China Nuclear Power Design Co.，Ltd.（Shenzhen），Shenzhen 518172，China）

The pre-tightening process of stud for CPR1000 reactor pressure vessel using single stud tensioningmachine for pre-tightening operation was described and analyzed.Based it，the influence on the stud residual pre-tightening load distribution of two pre-tightening ways of using the same tensile load and different tensile load on each stud group in the same tensioning phase was analyzed.The results showed as follows:Pre-tightening latter studswould produce unloading influence on tightened studs.With further tensioning of each stud，the residual pre-tightening force uniformity and dispersion degree of the stud would be better.The stud residual pre-tightening load uniformity and dispersion degree of using the same tensile load on each stud group in the same tensioning phase are better than thatof using different tensile load on each stud group in the same tensioning phase.And the stud amountof needing to adjust final residual pretightening load reduces obviously.

reactor pressure vessel；stud；pre-tightening；residual pre-tightening load；uniformity

TH49；TL351；TH131

A

1001-4837（2015）11-0006-06

10.3969/j.issn.1001-4837.2015.11.002

2015-09-08

2015-10-30

胡大芬（1986-），男，工程师，主要从事反应堆压力容器设计工作，通信地址:518172广东省深圳市龙岗区黄阁北路天安数码城5栋2002室，E-mail:hudafen@ cgnpc.com.cn。