湯臣杭，何勁松，余 平，周 永

(中國核動力研究設計院，四川成都 610041)

0 引言

壓水堆核電廠中，由于安裝、檢修、在役檢查等需要，蒸汽發(fā)生器設有人孔、手孔和檢查孔等開孔結構，這些開孔的密封方式通常采用螺栓－法蘭密封。

常用的螺栓法蘭密封結構有兩種類型:一種是金屬與金屬不接觸或浮動型螺栓法蘭接頭;另一種是金屬與金屬接觸型的法蘭接頭。相比于前者，金屬與金屬接觸型的法蘭接頭主要特點是將墊片壓縮到預定的厚度后，繼續(xù)追加螺栓載荷直到蓋板與法蘭相互接觸。因此，當存在介質壓力和溫度波動時，墊片上的密封載荷不發(fā)生改變，使整個密封結構保持在最佳的泄漏控制狀態(tài)，同時螺栓也不承受循環(huán)載荷，減少了發(fā)生疲勞或松脫的危險［1］。

由于核電廠的特殊性，對密封結構要求十分嚴格，不允許出現(xiàn)任何泄漏，目前國內蒸汽發(fā)生器開孔密封通常采用金屬與金屬接觸型的密封結構，墊片采用膨脹石墨墊。典型的密封結構如圖1所示。

圖1 典型的密封結構示意

在螺栓－法蘭密封結構中，螺栓預緊力的控制是保證整個密封結構可靠性的重要條件。文中分析比較了傳統(tǒng)方法中螺栓預緊力的確定方法，并基于金屬與金屬接觸的密封機理，對蒸汽發(fā)生器密封結構螺栓載荷的確定進行了探討;同時，結合有限元分析方法，研究了螺栓載荷與螺栓伸長量的關系，給出了蒸汽發(fā)生器密封結構螺栓伸長量的確定方法。

1 螺栓預緊載荷的確定

1.1 傳統(tǒng)的螺栓載荷確定方法

針對核設備設計，ASME規(guī)范第Ⅲ卷附錄E［2］規(guī)定螺栓載荷必須滿足預緊工況下預緊力Wm2和操作工況下預緊力Wm1，并取兩者中的大值。其中Wm1和Wm2可根據(jù)下式進行計算:

式中 H——作用于墊片反力直徑所限定的區(qū)域上內壓所產生的作用力，N

Hp——能保證密封的壓緊載荷，N

P——設計壓力或水壓試驗壓力，MPa

G——墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm，G=D－2b

D——墊片外徑，mm

b——墊片有效密封寬度，mm

m——墊片系數(shù)

y——墊片比壓，MPa

根據(jù)式(1)，(2)確定的螺栓預緊載荷為所需要的最小螺栓載荷，而螺栓載荷的上限應確保螺栓及密封結構應力不超過其應力限值。實際的螺栓載荷通常根據(jù)所計算的螺栓載荷的上、下限并結合工程經驗確定［3］。

針對核設備設計，在 RCC－M規(guī)范［4］附錄ZV中對螺栓預緊力的規(guī)定如下:螺栓預緊載荷必須滿足設備承受壓力之前的密封墊片壓緊力Fj和保證密封所需要的載荷FSO的要求，并取兩者中的大值。其中密封墊片壓緊力Fj取決于墊片本身特性，保證密封所需要的力FSO可按下式進行計算:

式中 Ec——室溫下螺栓的彈性模量，MPa

Eh——工作溫度下螺栓的彈性模量，MPa

FF(P)——在壓力作用下使密封結構趨于分開的作用力，N

FM(P)——在壓力作用下保證密封所需要的力，N

比較RCC－M規(guī)范和ASME標準，兩者對螺栓預緊力的計算方法基本類似。RCC－M規(guī)范中規(guī)定的墊片壓緊力Fj與ASME標準中規(guī)定的預緊工況下所需要的預緊力Wm2類似，該值取決于墊片本身特性，其目的是確保墊片充分壓緊。RCC－M規(guī)范中規(guī)定的保證密封所需要的載荷FSO與ASME標準中規(guī)定操作工況下的預緊力Wm1類似，不同的是，RCC－M規(guī)范中未引進墊片系數(shù)的概念，對于壓力作用下保證密封所需要的力FM(P)的計算未明確規(guī)定，另外，RCC－M規(guī)范考慮了不同溫度下、螺栓彈性模量不同對螺栓載荷計算的影響。

針對采用膨脹石墨墊片的蒸汽發(fā)生器密封結構，ASME標準第Ⅲ卷附錄E未明確給出該種類型墊片的墊片系數(shù)。RCC－M規(guī)范中，也未明確給出膨脹石墨墊片在壓力作用下保證密封所需要的力FM(P)的計算方法。因此，直接使用以上兩種標準計算蒸汽發(fā)生器螺栓預緊力均存在一定困難。

1.2 金屬與金屬接觸的密封結構螺栓載荷確定方法

蒸汽發(fā)生器采用的膨脹石墨墊片主要由3部分組成:固定環(huán)、膨脹石墨和內環(huán)(見圖2)。固定環(huán)起到限制石墨壓縮的作用;內環(huán)限制石墨的流動;膨脹石墨作為密封元件，起到密封的作用。

圖2 膨脹石墨墊片結構示意

在施加初始預緊力時，密封面首先與石墨環(huán)接觸，此時僅石墨環(huán)受力，繼續(xù)施加預緊力時，石墨受到壓縮直至固定環(huán)與密封面接觸，從而達到金屬與金屬接觸的狀態(tài)，如圖3所示［5－6］。此時石墨環(huán)達到預計的壓縮量，已經有足夠的致密性可起到密封作用。但在操作工況下，由于內壓的作用，會導致密封墊片上的作用力降低，因此需施加額外的預緊力以抵消內壓的作用，確保在操作工況時始終保持在金屬與金屬接觸的狀態(tài)。在螺栓預緊時，施加的額外作用力同時作用在固定環(huán)和石墨環(huán)上，但由于石墨和金屬彈性模型相差巨大，額外預緊力基本上作用在固定環(huán)上。因此，金屬與金屬接觸的密封結構，只有一部分預緊力作用到石墨環(huán)上，額外的螺栓載荷作用在金屬環(huán)上，用以補償內壓導致的石墨環(huán)上作用力的降低，確保始終處于金屬與金屬接觸狀態(tài)。

圖3 金屬與金屬接觸示意

對于金屬與金屬接觸的密封結構，根據(jù)其密封機理，在內壓作用下，為保持密封效果，應使密封結構始終保持在金屬與金屬接觸的狀態(tài)。因此螺栓預緊力在克服內壓作用下使密封結構趨于分開的作用力FF(P)之后，還應確保作用在墊片上的力能夠保持金屬與金屬接觸狀態(tài)。

蒸汽發(fā)生器所采用的膨脹石墨墊片其中一個重要特性參數(shù)為金屬與金屬接觸時的墊片應力，達到該應力水平所需的壓緊載荷R可通過試驗獲得。

對于膨脹石墨墊片，當墊片產生相同的壓縮量達到金屬與金屬接觸時，墊片應力隨著溫度的升高而降低，但變化較?。?］，即達到金屬與金屬接觸所需壓緊載荷是隨溫度升高而降低的。因此，根據(jù)室溫條件下墊片達到金屬與金屬接觸時的壓緊載荷計算所需要的螺栓預緊力是一種偏保守的考慮。保證密封所需要的力FSO可按下式進行計算:

式中 FF(P)——在內壓作用下使密封結構趨于分開的作用力，N

R——室溫下金屬與金屬接觸時墊片的壓緊載荷，N

2 螺栓伸長量的確定

螺栓預緊力的精確控制是保證密封效果的重要因素，因此蒸汽發(fā)生器密封結構通常采用液壓螺栓拉伸機施加螺栓預緊力。這種方法相比力矩法和螺母轉角法，具有操作簡單、預緊效率高、預緊精度高等優(yōu)點［7－8］。

明確螺栓預緊力后，需要根據(jù)預緊力值計算對應的螺栓伸長量以便實施預緊力控制。蒸汽發(fā)生器人孔螺栓預緊時，有3部分參與伸長，如圖4所示。

圖4 螺栓伸長連接計算示意

根據(jù)虎克定律［9］，在螺栓材料的彈性范圍內，伸長量和載荷成正比關系，螺栓伸長量可用下式進行計算:

式中 FSO——螺栓預緊力，N

E——螺栓彈性模量，MPa

L1——螺栓與法蘭嚙合部分的有效拉伸長度，mm

L2——螺栓光桿部分的有效拉伸長度，mm

L3——螺栓與螺母嚙合部分的有效拉伸長度，mm

A1，A2，A3——對應的應力截面積，mm2

由于螺栓光桿部分全部參與螺栓拉伸，因此螺栓光桿部分的有效拉伸長度L2即為螺栓光桿本身的長度。螺栓與法蘭、螺母嚙合部分的有效拉伸長度L1和L3，由于存在螺紋嚙合，并非所有嚙合范圍的長度均為螺栓有效拉伸長度，螺紋嚙合部分的有效拉伸長度的計算通常需要根據(jù)經驗值確定。

另外，也可通過試驗的方法，進行預緊力與伸長量的標定，通過標定曲線計算螺栓伸長量。采用試驗方法進行螺栓預緊力和伸長量的標定需針對每一個特定結構進行試驗，成本較高。文中通過有限元方法，建立法蘭、螺栓和螺母模型，獲得螺栓載荷—伸長量關系曲線，以確定給定載荷條件下的所需螺栓伸長量。

3 螺栓預緊的有限元模擬

3.1 計算模型

針對蒸汽發(fā)生器一次側人孔密封結構進行有限元分析，取其中一根螺栓作為分析對象，對不參與拉伸的部分進行適當簡化，建立法蘭－螺栓－螺母連接系統(tǒng)的二維模型，有限元模型幾何結構如圖5所示。

預緊工況下螺栓受的載荷為單向拉伸載荷，載荷加載于螺母的下表面，文中分析采用位移控制載荷。法蘭下端面約束軸向自由度。螺栓部分采用Plane 183單元，螺紋之間采用面對面的接觸單元Targe 169和Conta 172，并假設初始狀態(tài)為每對螺紋間剛好接觸，網格劃分如圖6所示。

圖5 蒸汽發(fā)生器一次側人孔密封結構有限元模型幾何結構

圖6 法蘭－螺栓－螺母連接網格劃分示意

3.2 螺栓載荷與螺栓伸長量關系

通過有限元計算，可獲得不同載荷條件下，螺栓上下端面在豎直方向的位移差，該差值即為螺栓伸長量。同時，可分別獲得每一個螺栓伸長量對應的螺栓光桿部分橫截面的應力，應力與螺栓載荷的換算可通過下式進行:

式中 A——螺栓光桿部分截面積，mm2

σ——光桿部分橫截面的應力，MPa

通過上述處理，可獲得蒸汽發(fā)生器一次側人孔螺栓載荷—伸長量曲線圖，如圖7所示?？梢钥闯觯菟A緊力與伸長量呈線性關系，說明螺栓在彈性范圍內。

圖7 蒸發(fā)器一次側人孔螺栓載荷—伸長量曲線

3.3 計算結果分析

蒸汽發(fā)生器一次側人孔密封結構主要參數(shù)和工況參數(shù)如表1所示。

表1 結構參數(shù)和工況參數(shù)

根據(jù)式(4)可確定所需要的螺栓載荷，根據(jù)螺栓載荷—伸長量曲線圖(見圖7)可確定所需要的螺栓伸長量。根據(jù)文中計算方法獲得的蒸汽發(fā)生器一次側人孔所需要的螺栓伸長量和核電工程中實際控制的螺栓伸長量比較見表2。

表2 螺栓伸長量計算比較

從表2可以看出，工程中實際控制蒸汽發(fā)生器一次側人孔的最小螺栓伸長量較本文計算結果大11.6%。由于采用測量螺栓伸長量的方法用于螺栓在彈性范圍內的預緊力控制時，誤差在3% ～5%［10］，因此實際控制螺栓伸長量時，需基于理論計算值考慮一定裕量。從表2的比較可知，文中關于蒸汽發(fā)生器螺栓伸長量的計算結果與工程實際使用值符合較好。

4 結語

(1)分析比較了ASME標準和RCC－M規(guī)范中關于螺栓－法蘭連接結構螺栓預緊力確定方法的差異。兩種標準中均給出了預緊力的確定方法，但均需結合特定的墊片性能參數(shù)進行計算。

(2)基于金屬與金屬接觸的密封機理，結合ASME和RCC－M規(guī)范，提出了核電站蒸汽發(fā)生器密封結構螺栓預緊力的確定方法。

(3)通過ANSYS有限元分析計算，建立螺栓載荷—伸長量曲線，給出了螺栓伸長量確定的方法，對于提高螺栓設計的可維修性有著一定的意義。計算結果表明，文中計算方法與工程實際使用值符合較好。

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