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        AP1000蒸汽發(fā)生器人孔法蘭螺栓預(yù)緊力校核

        2015-05-14 07:11:28魏小寶
        壓力容器 2015年6期

        魏小寶

        (國核工程有限公司,上海 200233)

        0 引言

        AP1000核電站的蒸汽發(fā)生器(Steam Generator,以下簡稱為SG)均有4個(gè)人孔法蘭,2個(gè)一次側(cè)人孔法蘭位于SG的下封頭;2個(gè)二次側(cè)人孔法蘭位于SG二次側(cè)筒體(汽鼓)上,呈左右對(duì)稱分布[1]。人孔法蘭的螺栓繞圓形法蘭呈對(duì)稱分布,螺栓規(guī)格為1.875″-8UNR -2A(47.625 mm)、螺栓長 17.11″(344.6 mm),螺栓設(shè)有中心孔,中心孔內(nèi)設(shè)置有螺栓伸長量測量桿,螺栓中心孔兩端均有內(nèi)螺紋孔,以便安裝螺栓伸長量測量桿和百分表使用,參見圖1,2。每個(gè)螺栓配有1個(gè)六角螺母和1組球面墊圈。人孔法蘭由石墨金屬纏繞墊片進(jìn)行密封。

        某核電站計(jì)劃用整體螺栓拉伸機(jī)拆卸SG二次側(cè)人孔法蘭以安裝吊裝用的耳軸,用于翻轉(zhuǎn)、吊裝SG。螺栓拉伸機(jī)安裝穩(wěn)妥后,操作螺栓拉伸機(jī)將法蘭螺栓拉伸到設(shè)計(jì)伸長量0.01″(0.254 mm)后發(fā)現(xiàn),用螺栓拉伸機(jī)配套的定力矩(50 N·m)手動(dòng)力矩扳手無法松動(dòng)二次側(cè)人孔法蘭螺栓。將螺栓拉伸機(jī)工作壓力提高至最大允許壓力后,螺栓拉伸量達(dá)到最大伸長量0.011″(0.2794 mm),仍然無法松動(dòng)人孔螺栓,最終在設(shè)計(jì)方許可下用敲擊呆扳手的方法將螺栓松開。經(jīng)過實(shí)際操作發(fā)現(xiàn),其他多臺(tái)SG均發(fā)生了類似的情況。

        圖1 SG二次側(cè)人孔法蘭螺栓及螺栓拉伸機(jī)裝配示意

        圖2 SG人孔法蘭雙頭螺栓示意

        1 螺栓緊固控制方法

        典型的螺栓緊固控制方法有扭矩控制法、轉(zhuǎn)角控制法、扭矩/轉(zhuǎn)角控制法、扭矩斜率控制法、伸長量控制法等。選擇螺紋聯(lián)接的擰緊方法應(yīng)針對(duì)初始預(yù)緊力離散度的要求、預(yù)緊力的大小、使用條件等進(jìn)行選擇[2]?;赟G人孔法蘭螺栓在制造廠采用力矩扳手緊固,在安裝現(xiàn)場選用螺栓拉伸機(jī)進(jìn)行松動(dòng)、緊固。因此,文中僅選用扭矩控制法、伸長量控制法對(duì)SG人孔法蘭螺栓的緊固、松動(dòng)過程進(jìn)行理論公式的校核計(jì)算。

        由擰緊力矩計(jì)算公式[2-3]可知,螺栓的擰緊力矩與螺栓的摩擦副及物理參數(shù)有關(guān),螺栓初始預(yù)緊力的離散度隨著擰緊時(shí)摩擦損耗等因素而變化[2-4];此外,采用扭矩控制法時(shí),預(yù)緊力的大小還與螺母的擰緊速度等因素有關(guān)[5]。試驗(yàn)表明[3],多數(shù)螺栓在緊固時(shí),預(yù)緊力和擰緊力矩是非線性關(guān)系。采用伸長量控制法時(shí),在屈服點(diǎn)以前,螺栓的拉伸變形屬于彈性變形,預(yù)緊力與拉伸量呈線性關(guān)系。文獻(xiàn)資料表明[3,6-8],采用扭矩控制法時(shí),由于存在螺紋副間的螺紋力矩和螺母支承面上的摩擦力矩,螺栓預(yù)緊力離散范圍較大。而螺栓的伸長量僅與螺栓應(yīng)力有關(guān),可以精確控制螺栓預(yù)緊力[3],王德新等[9]的研究也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

        2 螺栓預(yù)緊力的計(jì)算

        2.1 扭矩控制法計(jì)算

        2.1.1 螺栓緊固力

        采用扭矩控制法對(duì)螺栓進(jìn)行緊固時(shí),輸入的力矩包括用于拉伸螺栓的力矩、克服螺紋副間的摩擦力矩和螺母支承面上的摩擦力矩。因此,螺栓緊固力矩計(jì)算公式如下[3]:

        式中 T——緊固力矩,N·m,設(shè)計(jì)值為2169.3 N·m

        F'1——預(yù)緊力,N

        p——螺距,mm,p=3.2 mm

        μ——螺紋副的摩擦系數(shù),暫取0.09

        r2——螺紋中徑,mm,r2=1.7878″(45.41 mm)

        n——螺紋線數(shù),n=1[10]

        d2——螺紋中徑,mm,d2=r2=1.7878″(45.41 mm)

        μn——支承面的摩擦系數(shù),暫取 0.09

        rn——圓環(huán)面的當(dāng)量摩擦半徑,m,rn=(-)/[3(-)]

        D1——六角螺母支承面外徑,mm,D1=2.82″(71.6 mm)

        D0——六角螺母支承面內(nèi)徑,mm,D0=2.06″(52.4 mm)

        依據(jù)以上數(shù)據(jù),計(jì)算得:螺紋升角β=1.29°、圓環(huán)面的當(dāng)量摩擦半徑rn=0.0312 m。將上述各值代入式(1)中,計(jì)算可得預(yù)緊力:

        F'1=292942 N

        人孔法蘭螺栓涂抹潤滑劑后,其表面的摩擦系數(shù)為0.03~0.09。當(dāng)螺紋副的摩擦系數(shù)μ、支承面的摩擦系數(shù)μn取不同值時(shí),由式(1)計(jì)算得不同摩擦系數(shù)下的螺栓預(yù)緊力F'1,見表1。

        表1 扭矩法緊固時(shí)不同摩擦系數(shù)狀態(tài)下的螺栓預(yù)緊力 N

        SG二次側(cè)人孔螺栓預(yù)緊力設(shè)計(jì)值為350000~426000 N。由表1可知,在給人孔法蘭螺栓施加額定扭矩時(shí),隨著摩擦系數(shù)μ,μn的減小,螺栓預(yù)緊力會(huì)增加。同時(shí),如果螺栓潤滑不充分,即摩擦系數(shù)μ,μn較大時(shí),螺栓預(yù)緊力會(huì)小于設(shè)計(jì)值,見表1陰影區(qū)左上部分;當(dāng)螺栓潤滑充分時(shí),即μ,μn較小時(shí),螺栓預(yù)緊力將變大,甚至?xí)笥谠O(shè)計(jì)值,見表1中陰影區(qū)右下部分。選取如表1中的摩擦系數(shù)進(jìn)行校核計(jì)算時(shí),有17組數(shù)值的螺栓預(yù)緊力能滿足設(shè)計(jì)要求,見表1中陰影區(qū)。

        2.1.2 螺栓松動(dòng)力

        采用扭矩控制法對(duì)螺栓進(jìn)行松動(dòng)時(shí),螺栓力矩計(jì)算公式如下[3]:

        式中 T1——采用手動(dòng)力矩扳手松動(dòng)螺栓時(shí)的力矩,N·m,設(shè)計(jì)值為50 N·m

        F'2——松動(dòng)力,N

        d2——螺紋中徑,mm,d2=1.7878″(45.41 mm)

        ρ'——當(dāng)量摩擦角,°,ρ'=tan-1(μn/cosα)

        α——垂直截面牙形半角,°,α =tan-1(tanα'cosβ)

        α'——軸向截面牙形半角,°,α'=30°由2.1.1 節(jié)可知,螺紋升角 β =1.29°、圓環(huán)面的當(dāng)量摩擦半徑rn=0.0312 m。根據(jù)上述數(shù)值,計(jì)算可得:ρ'=5.93°。

        將上述各值代入式(2)中,可得螺栓松動(dòng)力:

        F'2=10748 N

        即施加50 N·m的螺栓松動(dòng)力矩后,人孔法蘭螺栓的預(yù)緊力將減少10748 N。按照螺栓潤滑后摩擦系數(shù)取值在0.03~0.09之間考慮,則支承面的摩擦系數(shù)μn取不同值時(shí),由式(2)計(jì)算得不同摩擦系數(shù)下的螺栓松動(dòng)力F'2,見表2。

        表2 螺栓松動(dòng)時(shí)不同摩擦系數(shù)狀態(tài)下的螺栓預(yù)緊力

        由表2可知,螺母支撐面潤滑越充分,用同樣的螺栓緊固力矩(50 N·m)去松動(dòng)螺栓時(shí),原螺栓預(yù)緊力將減少得更多。

        2.2 伸長量控制法計(jì)算

        SG一次側(cè)及二次側(cè)人孔法蘭中的雙頭螺栓均屬于易伸長螺栓[6],依據(jù)圖1及圖2,其受拉力后的伸長量計(jì)算式為[6]:

        式中 εf——螺栓伸長量,mm,其設(shè)計(jì)值為0.01″(0.254 mm)

        Ff——螺栓預(yù)緊力,N

        Eb——螺栓的彈性模量,MPa,Eb=2.06 ×105MPa

        la——螺栓光桿部分長度,mm,4.06″(103.1 mm)

        A——螺栓光桿部分面積,mm2,A=πD2/4

        D——光桿部分直徑,mm,D=1.695″(43.06 mm)

        lδ——螺栓螺紋部分與SG本體的旋合螺紋段彈性變形等效長度,mm,lδ=0.5d

        d——公稱直徑,mm,d=1.875″(47.625 mm)

        l'δ——螺栓螺紋部分與螺栓拉伸機(jī)的旋合螺紋段彈性變形等效長度,mm,l'δ=0.6d

        ls——螺栓螺紋部分下端未旋合的長度,mm,ls=25.25 mm

        l's——螺栓螺紋部分上端(受力段)未旋合的長度,mm,l's=152.1 mm

        As——螺栓螺紋段有效面積,mm2,As=π/4

        d2——有效直徑,mm,d2=1.7878″(45.41 mm)

        將上述各值代入式(3)中,計(jì)算可得預(yù)緊力:

        Ff=246056 N

        如果考慮設(shè)計(jì)給定的伸長量公差為±0.001″(0.0254 mm),按照人孔法蘭螺栓達(dá)到最大伸長量 0.011″(0.2794 mm)進(jìn)行計(jì)算,螺栓的預(yù)緊力為F'f=270661 N。

        2.3 兩種控制方法計(jì)算結(jié)果的比較

        由上述計(jì)算結(jié)果可知,螺栓潤滑后,無論螺紋副的摩擦系數(shù)μ及支承面的摩擦系數(shù)μn取0.03~0.09范圍內(nèi)的任意值,用扭矩控制法緊固后的螺栓預(yù)緊力F'1都大于用螺栓伸長量控制法產(chǎn)生的預(yù)緊力F'f。因此,在制造廠用扭矩控制法緊固后,現(xiàn)場采用螺栓伸長量控制法松動(dòng)人孔法蘭螺栓至設(shè)計(jì)伸長量時(shí),只能卸除部分螺栓預(yù)緊力。此時(shí),用手動(dòng)力矩扳手施加50 N·m的力矩值無法克服螺母與球面墊圈之間的摩擦力矩。該螺栓的螺母與球面墊圈結(jié)合處尚殘余至少22281 N(F'1-F'f)的預(yù)緊力,此預(yù)緊力比手動(dòng)力矩扳手產(chǎn)生的預(yù)緊力(10748 N)大。

        假設(shè)AP1000 SG二次側(cè)人孔法蘭螺栓經(jīng)過潤滑、緊固后的螺栓預(yù)緊力能夠滿足設(shè)計(jì)要求。那么將表1中陰影區(qū)內(nèi)滿足設(shè)計(jì)要求的17組數(shù)值與采用伸長量控制法產(chǎn)生的最大螺栓預(yù)緊力(F'f=270661 N)對(duì)比計(jì)算后,可得出表3中陰影區(qū)內(nèi)的17組數(shù)值。

        表3 不同摩擦系數(shù)狀態(tài)下螺栓預(yù)緊力的比較差值

        由表3可以看出,螺栓拉伸機(jī)將人孔法蘭螺栓拉伸到最大允許伸長量值后,只能卸除部分螺栓預(yù)緊力,無法克服螺母與球面墊圈之間的摩擦力矩,即無法松動(dòng)人孔法蘭螺栓。

        3 結(jié)論

        (1)螺栓的螺紋副摩擦系數(shù)及螺母支承面摩擦系數(shù)越小,用扭矩控制法緊固的螺栓預(yù)緊力會(huì)越大,即螺栓潤滑狀態(tài)越好,緊固后,螺栓的預(yù)緊力將越大;螺栓潤滑適度的情況下,緊固后的螺栓預(yù)緊力大小能夠滿足緊固螺栓的需要。

        (2)螺栓拉伸機(jī)將人孔法蘭螺栓拉伸到最大允許伸長量值后,只能卸除部分螺栓預(yù)緊力,無法克服螺母與球面墊圈之間的摩擦力矩,這是施工現(xiàn)場無法用螺栓拉伸機(jī)松動(dòng)人孔法蘭螺栓的根本原因。

        (3)用螺栓拉伸機(jī)緊固后,螺栓的預(yù)緊力比用扭矩扳手緊固后的預(yù)緊力小,需對(duì)螺栓拉伸機(jī)緊固后螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行校核,以確認(rèn)在運(yùn)行狀態(tài)下蒸汽發(fā)生器無泄露風(fēng)險(xiǎn)。

        4 建議

        基于上述分析,建議選用以下4個(gè)方案中的一個(gè)或多個(gè)方案,以解決用扭矩扳手緊固后的螺栓無法用螺栓拉伸機(jī)松動(dòng)的實(shí)際工程問題。

        (1)采用扭矩控制法緊固SG人孔法蘭螺栓時(shí),可依據(jù)SG水壓試驗(yàn)參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)參數(shù),按照螺栓預(yù)緊力,用試驗(yàn)方法求得擰緊力矩系數(shù),用于指導(dǎo)制造廠和核電站的SG人孔法蘭螺栓的拆裝,從而保證人孔法蘭的密封性,避免泄漏事故的發(fā)生。

        (2)采用伸長量控制法緊固SG人孔法蘭螺栓時(shí),應(yīng)重新校核伸長量與預(yù)緊力的關(guān)系。也可以采用基于有限元理論的數(shù)值模擬分析方法,以使得計(jì)算結(jié)果更加接近真實(shí)情況,然后在數(shù)值分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,重新選定與螺栓伸長量匹配的螺栓拉伸機(jī)。

        (3)同時(shí)采用扭矩控制法和伸長量控制法時(shí),應(yīng)在保證SG人孔法蘭密封性的前提下,通過校核螺栓預(yù)緊力,使扭矩控制法和伸長量控制法產(chǎn)生的螺栓預(yù)緊力相互匹配,以確保無論采用哪一種螺栓緊固方法都能滿足螺栓的拆裝需要。這一點(diǎn)在其他制造廠制造的SG上已得到相互匹配的驗(yàn)證。

        總之,由于采用扭矩控制法產(chǎn)生的預(yù)緊力受諸多因素的影響,如螺栓潤滑狀態(tài)、表面清潔程度等,使得螺栓的預(yù)緊力精度難于控制,因此對(duì)于諸如SG人孔法蘭這類對(duì)密封性要求較高的場合不宜采用,而應(yīng)該采用影響因素單一、預(yù)緊力離散度小、精度較高的伸長量控制法進(jìn)行預(yù)緊。

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