核级设备抗震分析中螺栓应力的评定方法

陈一伟，黄炳臣，沈 伟，石 红，张强升

（生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082）

抗震鉴定作为核安全设备鉴定的一部分，对民用核安全设备的安全运行具有至关重要的作用。核级设备的抗震鉴定一般可采用抗震分析、抗震试验、分析与试验相结合的方法。目前，抗震分析作为抗震鉴定的一种方法，广泛应用于核电厂各类设备的安全评价中。螺栓是连接核电厂各设备的重要部件，螺栓的安全关系到整个核级设备乃至整个核电厂的安全。因此，对不同工况及不同位置的螺栓进行准确的刚度和强度分析对保证核电厂安全稳定运行具有重要意义［1-3］。

近年来，国内外学者在核级设备连接螺栓的强度研究方面进行了不少研究。张续钟等人［4-6］研究了螺栓预紧力确定的方法，给出螺栓装配预紧力的计算方法；季同盛、崔赪昕等人［7-9］通过有限元方法分析了螺栓连接结构强度。但大多数分析主要针对承压部件及关键设备，对紧固螺栓的评定采用的评定标准和方法不一，甚至很多抗震分析中忽略了对紧固螺栓的评定。这对于抗震分析的完整性及核电厂的整体安全性有重大影响。

1 螺栓模型建立原则

我们利用有限元ANSYS∕WORKBENCH 等软件对所分析的螺栓进行建模。对于螺栓体，我们应尽量按照实际模型进行建模，针对复杂结构或者螺栓数量过多的模型，可用梁单元进行模拟。实体模型与螺栓之间，螺栓孔与螺柱面通过绑定约束；面模型与螺栓之间的约束，采用不大于螺栓垫片面积的面单元与螺柱面的绑定约束连接。

2 评定过程

2.1 采用RCC-M 标准设计的核电设备连接螺栓评定准则

2.1.1 承压部件的连接螺栓评定

对于阀体与阀盖、泵盖与涡轮、压力筒体与封头等承压部件之间的连接螺栓，我们应采用RCC-M（压水堆核岛机械设备设计和建造规则）ZV章节进行校核。下面以某核电厂核级阀门阀盖与阀体的16根奥氏体连接螺栓为例，依据RCCM C3563.4按照强制性附录ZV的要求进行校核。

根据有限元分析法，计算连接螺栓在事故工况下的应力强度分布，得出16 根螺栓的最大应力，见表1。

表1 16根连接螺栓应力评定结果表Table 1 Stress evaluation of 16 connecting bolts单位：MPa

螺栓在事故工况下的最大应力为15.07 MPa，远小于螺栓材料在室温下的许用应力，且有较大的设计裕度。

根据RCC-M ZV233 的要求，本文对螺栓最小截面进行校验。

设计工况下需满足公式：

式中，FS(PC)——紧固力，N；

SA——最小截面积，m2；

S——设计温度下的许用应力，N∕m2。

工作条件下需满足公式：

式中：Eh——工作温度时螺栓材料的弹性模量，MPa；

Ec——螺栓材料在室温20℃下的弹性模量，MPa；

S——工作温度下的基本许用应力，S=120 MPa；

Sy——工作温度下的屈服强度值，Sy=480 MPa。

根据式（2）计算得到的所需最小截面积见表2。由表2可知，螺栓面积满足RCC-M强制性附录ZV的要求。

表2 螺栓的最小截面面积Table 2 Minimum cross section area of bolts单位：mm2

2.1.2 非承压部件的连接螺栓评定

对于非承压部件的连接螺栓，我们应根据RCC-M 强制性附录ZVI 2460 螺栓紧固件连接要求，采用公式（3）进行校核：

式中，ft——实际拉伸应力，MPa；

Ftb——许用拉伸应力，MPa；

fv——实际剪切应力，MPa；

Fvb——许用剪切应力，MPa；

奥氏体螺栓：Ftb=0.3Su，Fvb=Su∕8；

铁素体螺栓：Ftb=0.5Su，Fvb=5Su∕24。

2.2 采用ASME标准设计的核电设备连接螺栓评定准则

2.2.1 承压部件的连接螺栓评定

对于承压部件之间的连接螺栓，我们应按照ASME（锅炉及压力容器规范）核电标准第III卷第1 册附录XI 提供的评定方法进行螺栓最小截面积的评定，即按照式（4）进行评定，材料的许用应力由ASME 第Ⅱ卷D篇1分篇表3查得。

式中，Ab——实际螺栓最小截面积，m2；

Am——螺栓所需最小截面积，m2；

G——垫片载荷反作用力处的直径，m；

P——设计压力，Pa；

b——垫片压紧有效宽度，m；

Sa——常温下螺栓许用应力，MPa；

Sb——设计温度下螺栓许用应力，MPa；

m——内压的倍数；

y——垫片或连接接触面的单位压紧载荷，N。

2.2.2 非承压部件的连接螺栓评定

对于非承压连接螺栓，我们应根据ASME第III 卷第1 册NF 分卷提供的评定方法进行评定，按照相应的准则对4 种工况分别去验收。4 种工况的验收准则见表3。

3 结论

在核级设备抗震分析时，我们往往对关键承压部件着重计算，而忽略了螺栓的校核或采用不适用的准则进行校核。本文在RCC-M 及ASME标准的基础上，提出了螺栓校核的方法及评定准则，对核级设备抗震分析的连接螺栓的评定提供了参考依据。

表3 连接螺栓应力评定准则Table 3 Stress evaluation criteria for connecting bolts