蒸汽发生器地脚螺柱卡涩分析与讨论

汤臣杭 余平 谈国伟

摘 要

蒸汽发生器为核电厂的重要设备，设备安装过程中需要使用螺栓拉伸机对地脚螺柱进行预紧。本文以某核电厂蒸汽发生器地脚螺柱预紧过程中发生的螺母卡涩为例，对螺母卡涩原因进行了分析。分别从螺柱螺母公差配合，螺柱拉伸过程中的伸长量，螺柱螺母的配合间隙变化情况等方面进行了定量分析，给出螺母卡涩的原因。基于分析结果，针对大直径、高强度地脚螺柱，从螺纹副配合间隙设计角度，提出了防止卡涩措施。

关键词

蒸汽发生器;地脚螺柱;卡涩;公差配合

中图分类号： TE96       文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.012

Abstract

The steam generator is an important equipment in nuclear power plant. In the process of equipment installation，it is necessary to use bolt stretcher to pre tighten the anchor bolts.In this paper，the cause of nut jam during the pre-tightening process of the anchor bolt of a nuclear power plant steam generator is analyzed.The quantitative analysis is made from the tolerance fit of stud and nut，the elongation in the process of stud stretching，the clearance change of stud and nut clearance.The causes of nut jam are given.Based on the analysis results，for the large-diameter and high-strength anchor studs， the measures to prevent jamming are given in view of fit clearance design of thread pair.

Key Words

Steam generator;Anchor bolt;Jamming;Tolerance fit

0 前言

蒸汽发生器为压水堆核电厂反应堆冷却剂系统的重要设备之一，是压水堆核電厂一回路、二回路的边界[1]。蒸汽发生器为重型设备，地脚螺柱需采用大直径的预埋螺柱。为有效控制地脚螺柱的预紧载荷，需要采用拉伸机进行预紧。这种方法相比力矩法和螺母转角法，具有操作简单、预紧效率高、预紧精度高等优点[2]。

核电设备螺柱螺母安装过程中，容易出现螺纹卡涩、损伤现象[3]，但对于螺柱预紧过程中，出现的螺母卡涩，鲜有相关文献进行分析。本文针对国内某核电站蒸汽发生器地脚螺柱预紧时出现的螺母卡涩，进行了分析和讨论，并针对采用拉伸机预紧的地脚螺柱，从螺纹副配合间隙设计的角度提出了防止卡涩的措施。

1 设备及螺母卡涩概况

蒸汽发生器支承分为垂直支承和水平支承。水平支承中，共有24颗M76螺柱，需预埋在混凝土中，单颗螺柱结构示意图如图1所示。其中螺母设计为拉伸专用的螺母，螺母端部带有小孔。

螺柱预紧时，采用拉伸机在端部拉伸螺柱，然后通过螺母上的小孔，拨动螺母，以实现螺柱预紧，如图2所示。

国内某核电站蒸汽发生器地脚螺柱预紧时，3台蒸汽发生器24颗螺柱，共有18颗螺柱拉伸至预紧力设计值的69%～97%，出现螺母卡涩现象，即螺柱可拉长，但螺母无法旋动，然而在螺柱卸载之后，螺母可正常旋入和旋出。

2 卡涩原因分析

2.1 公差配合分

蒸汽发生器支承用螺柱螺母的尺寸、材料和预紧力如表1所示。

螺柱与螺母的配合为6g6H配合关系，属于GB/T 197-2003《普通螺纹公差》中推荐的中等精度的配合关系。根据公称直径、螺距和配合关系，螺纹中径的名义尺寸、公差带位置及公差带大小如图3所示。螺柱与螺母属于间隙配合。螺母螺纹和螺柱螺纹的中径差值在0.06～0.611mm之间。

在螺柱未拉伸的条件下，螺母可自由选入和旋出，不存在卡涩现象。螺柱、螺母采用相应精度等级的螺纹量规，均检验合格。但由于螺柱预紧过程中，螺柱受到拉伸载荷，而螺母未受力，螺柱与螺母的螺纹牙间隙有减少趋势，当螺纹牙之间的间隙过小时，即可能出现螺母卡涩现象。

2.2 螺柱伸长量计算

需定量分析拉伸过程中螺柱与螺母螺纹之间的间隙变化情况，首先需计算螺柱与螺母啮合区域螺柱的伸长量。

根据虎克定律，啮合区域螺柱的伸长量可用以下公式（1）进行计算。

从公式（5）可知，螺柱拉伸时的伸长量与啮合长度和螺柱材料的屈服强度成正比。对于合金钢螺柱，材料弹性模量E接近，而螺柱与螺母的啮合长度通常为（1～1.25）倍公称直径。因此，螺柱的伸长量，正比于公公称直径和螺柱材料屈服强度。对于大直径、高强度的螺柱，在采用螺栓拉伸机进行预紧时，更容易出现预紧过程中的螺母卡涩情况。

从上述分析与讨论中可知，对于采用螺栓拉伸机预紧的大直径螺柱，直接采用GB/T 197-2003《普通螺纹公差》中推荐的配合关系，可能出现拉伸过程中螺母卡涩情况，有必要对螺纹副配合间隙进行重新设计。基于第3.4节分析，在标准中推荐的公差配合关系基础上，将螺纹公差带缩为原先1/2，可有效避免拉伸过程中的螺母卡涩。

4 小结

（1）针对国内某核电站蒸汽发生器地脚螺柱预紧过程出现的中螺母卡涩现象，分析了螺柱螺母螺纹副配合情况。

（2）定量分析了螺柱拉伸过程螺纹副间隙变化情况，给出了螺母卡涩的原因。

（3）对大直径、高强度的地脚螺柱的螺纹副配合间隙设计提出了建议措施，可有效避免螺柱拉伸过程中的螺母卡涩问题，为大直径、高强度螺柱螺纹副配合设计提供了改进措施。

参考文献

[1]《蒸汽发生器》编写组. 蒸汽发生器[M].北京：原子能出版设计，1982.

[2]杨盛福.螺栓的液压拉伸预紧[J].机床与液压，2005 No.8：149-150.

[3]周万云，许洪朋，刘东杰，杨景超.反应堆压力容器主螺栓孔修复方案探讨[J]. 压力容器，2015，（32）2：75-80.

[4]成大先.机械设计手册（第2卷）[M].北京：化学工业出版社，2007.