某抽水蓄能电站顶盖联结安全性复核

章 亮，霍兆斌，赵 强，王宁宁

（1.国网新源控股有限抽水蓄能技术经济研究院，北京市 100053；2.山西西龙池抽水蓄能有限责任公司，山西省忻州市 035500；3.国网新源控股有限公司回龙分公司，河南省南阳市 474650）

0 引言

抽水蓄能电站水泵水轮机组工况转换频繁，顶盖座环连接螺栓受力比较复杂，俄罗斯萨扬—舒申斯克水电站和我国的某抽水蓄能电站发生过顶盖螺栓断裂引起水淹厂房严重后果的事件[1-3]。针对连接螺栓，国内学者展开了大量的研究工作[4-11]，顶盖螺栓的预紧对机组的安全有着重要的影响，预紧力过小可能引起螺栓的应力幅值过大，造成疲劳破坏；预紧力过大可能引起螺栓的静载荷过大，造成螺栓塑性变形甚至断裂，且由于预紧力过大可能会造成顶盖和座环的破坏。某在运行抽水蓄能电站拟利用机组大修将当前的螺栓预紧应力提升，其主要目的是增加预紧应力同工作应力的比值。

1 顶盖螺栓的受力特点

施加预紧力F0是为了增强连接的可靠性、紧密性和刚性，提高连接的防松能力，防止受载后被连接件间出现间隙或发生相对位移；对于受变载荷的螺纹连接还可提高其疲劳强度。当受到工作载荷F时，预紧力也发生变化，变化后的预紧力称为残余预紧力F1，起到防松连接可靠性、紧密性的作用[12，13]。因此，有螺栓的总载荷F2=F+F1。

为了保证连接的紧密性，防止连接受载后结合面产生缝隙，应使F1＞0，推荐采用的F1为：对于有紧密性要求的连接，F1=(1.5～1.8)F；对于一般的连接，工作载荷稳定时，F1=(0.2～0.6)F；工作载荷不稳定时，F1=(0.6～1.0)F。

螺栓所承受的总拉力F2也可按照式（1）计算：

2 预紧力提升方案

该抽水蓄能电站机组顶盖螺栓在设计压力下的工作载荷最大，其次是在双机甩负荷的工况下，不同工况下螺栓的工作载荷如图1所示。

图1 各工况下螺栓的工作载荷Figure 1 The working loads of bolts in various working conditions

该抽水蓄能电站顶盖把合螺栓螺母呈同心圆状均匀分布80 个，顶盖螺栓螺纹的连接规格为M130×6，当前的预紧应力由294MPa 提升至440MPa 后，如果螺栓和螺母不能满足要求，则需要进行更换。此外，由于顶盖、座环均无法更换，需对提升预紧力后顶盖和座环的强度是否能否满足要求进行复核。

2.1 螺栓强度复核

根据顶盖螺栓的受力特点及安装特点，结合相关的标准，预紧力提升后需保证以下值：

（1）螺栓的预紧应力与设计工作应力（最不利工况对应的应力）的比值（定义为预紧安全系数）≥2.0。

（2）螺栓残余预紧力与工作载荷的比值（定义为夹紧力安全系数）≥0.6。

（3）螺栓截面平均应力的最大值与材料屈服强度的比值（定义为材料安全系数）≤2/3。

表1 为螺栓、螺母、顶盖和座环的材料及强度要求。

表1 各部件的力学性能要求值

由图2 和图3 可见，当提升预紧力后，螺栓的预紧安全系数和夹紧力安全力系数都增加，能够增加连接结构的紧密性。

图2 各工况下的预紧安全系数Figure 2 The preload safety factors in various working conditions

螺栓预紧时操作时，预紧力是可以无限提高的，在没有其他载荷的条件下，都有可能由于预紧力过大使得螺栓断裂，因此，限制顶盖螺栓的材料许用安全系数应该取1.5，即总载荷小于材料屈服强度的2/3。由图4 可见，当提升预紧力后，螺栓的材料安全系数均接近或超过0.6，更加接近螺栓材料屈服强度的2/3，螺栓发生断裂的风险增加。

图4 各工况下的材料安全系数Figure 4 The material safety factors in various working conditions

2.2 螺母的强度复核

螺母的结构如图5所示，螺母采用内六角预紧孔施加扭矩预紧。

图5 螺母结构图（单位：mm）Figure 5 Drawing of nut structure（unit：mm）

当预紧力提升后，需对螺母的螺纹部分以及内六角预紧孔的强度进行复核。螺纹牙的受力分析，传统的设计方法是将螺纹牙展开后，将其视为悬臂梁，螺纹牙承受沿螺栓轴向的载荷力，根据集中力的原则，则力的作用点位于螺纹牙中径。对螺纹牙的强度校核通常包括抗剪切校核、抗弯曲校核。螺母材料的屈服强度下限为355MPa，螺母螺纹部分的不合格，需要更换螺母。通过抗剪切校核、抗弯曲核校验的结果，选定新螺母材料为JIS G4053 SNC631，材料屈服强度≥685MPa，抗拉强度≥830MPa，螺母强度低于螺栓强度，有较好的匹配性。

螺母安装时是扭矩控制的，扭矩计算时的扭矩系数K值一般取0.2，预紧应力为440MPa。有限元计算的结果表明，局部最大应力为755MPa，超过了螺母材料的屈服强度的最低要求，产生最大应力的位置很小。按照ASME 第Ⅷ卷第2 册第五章的分析设计原则，将应力划分为一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力和峰值应力，然后采用不同的强度条件对各种应力及其组合限制。当有一次薄膜应力、二次薄膜应力和弯曲应力时，应力组合不超过材料许用应力的3 倍，其中，许用应力按照屈服强度的2/3 和抗拉强度的1/3 的较小值取值，如图6[15]所示。

更换后的螺母的屈服强度和抗拉强度的下限值分别为685MPa 和830MPa，许用应力为276.67MPa。按照分析设计校核的原则，应力组合最大处为755MPa，小于许用应力的3倍830MPa，强度合格。

2.3 顶盖的联结安全

螺栓受到的总载荷为拉力，垫圈及顶盖受到同样大小的压力。未增加垫圈时，总载荷通过螺母的截面积作用到顶盖上，由于顶盖无法更换，提升预紧力后，压应力超过顶盖的屈服极限，因此，只能通过增大接触面积的方式减小顶盖的压应力。在顶盖螺母和顶盖之间加一个20mm 的垫圈，材料为JIS G4051 S45CN，屈服强度≥345MPa。增加垫圈后，螺母和垫圈之间的受力面积同垫圈和顶盖之间的受力面积对此见图7，后者面积是前者面积的2.4 倍。增加垫圈前，总载荷通过螺母的截面积作用到顶盖上，而在增加垫圈后，总载荷通过垫圈的截面积作用到顶盖上，顶盖应力值约为增加垫圈前的40%，为127.5MPa，小于顶盖的屈服强度，满足使用要求。

图7 螺母和垫圈之间的受力面积同垫圈和顶盖之间的受力面积对比（单位：mm）Figure 7 The comparison of stress areas between nut with washer and washer and head cover（unit：mm）

垫圈的应力值为307.8MPa，小于其屈服强度，满足使用要求。由于增加螺纹了垫圈，螺栓的长度也需要增加20mm。如果螺栓的或者螺纹部分的长度不能满足预紧要求，则需更换螺栓。

2.4 座环内螺纹的安全

座环内螺纹主要校核其剪切强度，同前述螺母的内螺纹校核的内容一致，校核结果满足使用要求。内螺纹校核的结果为：剪切应力为105.9MPa，小于许用剪切应力112.6MPa，提升预紧力后坐环的内螺纹是安全的。

3 其他

施加预紧力是为了保证螺栓连接副的稳定性，保证残余预紧力满足要求，这是螺纹连接副的使用要求。当按照294MPa 预紧时，预紧安全系数为1.34，此时的残余预紧力安全系数为0.64，材料安全系数为0.43，满足整体稳定性的要求。

提高预紧力需增加螺母的扭矩，对于按照扭矩控制的螺栓，增加螺母破坏的风险，同时会给顶盖、座环的安全性带来风险，且需更换螺栓。特别是对于该电站已经经过双机甩负荷试验，且已安全运行一个大修周期，进一步增加预紧力的必要性值得讨论。

4 结论

（1）按照螺栓的受力分析，当提升预紧力后，预紧安全系数、夹紧力安全系数、材料安全系数的均满足要求。

（2）提升预紧力后，螺母的内螺纹校验不合格，需要更换材料强度更高的螺母。扭矩造成新螺母内六角预紧孔局部应力超过屈服极限，按照ASME 标准的应力分析设计原则，不会发生塑性垮塌，可以安全使用。

（3）在顶盖和座环之间增加垫圈可以使得顶盖的接触面积增大，压应力减小，顶盖的校验结果合格，垫圈和座环的强度也符合要求。由于增加了垫圈，螺栓的长度增加，需要更换螺栓。

（4）提升预紧力需更换螺母和螺栓，且造成顶盖和座环的应力比之前增加，进一步增加预紧力的必要性值得讨论。