鄭岳山+秦瑋+李云華

【摘 要】根據(jù)乏燃料運輸容器的法規(guī)及設(shè)計要求，對容器蓋螺栓在各工況下所受的載荷進(jìn)行了分析。并通過合理的工況組合，得出了螺栓所受最大載荷，從而確定了螺栓的預(yù)緊力。并通過對扭矩系數(shù)的分析，得出了適用于乏燃料運輸容器的預(yù)緊扭矩的計算方法。

【關(guān)鍵詞】螺栓；預(yù)緊力；扭矩系數(shù)；乏燃料運輸容器

0 引言

對于乏燃料物運輸容器來說，螺栓連接有可能是其包容系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。螺栓結(jié)構(gòu)的完整性依賴于其數(shù)量、強(qiáng)度以及螺栓預(yù)緊力。對于一個特定的容器，其螺栓數(shù)量及強(qiáng)度都是確定的。對于螺栓連接來說，其功能是由恰當(dāng)?shù)穆菟A(yù)緊力來保證的。螺栓預(yù)緊力的分析及控制會有效提高容器的安全性能。而在實際操作中，控制螺栓的預(yù)緊力的直接參數(shù)為預(yù)緊力矩?？梢?，確定螺栓預(yù)緊力與螺栓預(yù)緊力矩之間的關(guān)系是保證螺栓實現(xiàn)其預(yù)緊功能的重要前提。下文將對螺栓預(yù)緊力的分析，以及預(yù)緊力矩的確定進(jìn)行闡述。

1 運輸容器螺栓分析

螺紋連接根本目的是利用螺紋緊固件將被連接件可靠地連接在一起，裝配預(yù)緊就是要將螺栓的軸向預(yù)緊力控制在適當(dāng)?shù)姆秶?。對于實際工程連接中的螺栓，軸向預(yù)緊力的最小值是由螺栓結(jié)構(gòu)的連接功能決定的，該最小值必須能滿足在工作過程中符合連接件的功能要求。軸向預(yù)緊力的最大是由螺栓結(jié)構(gòu)和被連接件的材料強(qiáng)度決定的，這個最大值必須能夠保證在預(yù)緊和工作過程中螺栓結(jié)構(gòu)及被連接件不會發(fā)生破壞。恰當(dāng)?shù)穆菟A(yù)緊可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強(qiáng)度，增強(qiáng)連接的緊密性和剛性。

本文以典型結(jié)構(gòu)的運輸容器為研究對象，立式圓柱形筒體，上封頭為平蓋結(jié)構(gòu)，螺栓周向均布于容器蓋并擰入筒體上部法蘭中，容器蓋與筒體間裝有密封圈（見圖1）。此容器的螺栓功能是保證在容器在正常和事故工況下包容性能不被破壞。

從圖中可知，容器蓋與筒體為金屬面直接接觸，當(dāng)容器蓋承受載荷而有彎曲傾向時，容器蓋與筒會產(chǎn)生相對的轉(zhuǎn)動。此轉(zhuǎn)動會對螺栓產(chǎn)生拉力及彎矩，對此拉力和彎矩組合的分析是較為困難的。經(jīng)研究表明此拉力和彎矩的耦合性不大，分別對拉力及彎矩進(jìn)行分析可以滿足實際情況的要求。而對此拉力及彎矩的研究表明，在螺栓的設(shè)計及分析中應(yīng)注意以下兩點：

1）增加容器蓋的厚度和剛度能顯著降低螺栓拉力和彎矩的影響。

2）最大拉力通常發(fā)生在施加載荷等于預(yù)緊力時，所以預(yù)緊力必須從關(guān)鍵載荷中分別出來，以降低拉力產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)。

2 螺栓預(yù)緊力載荷分析

螺栓分析中應(yīng)考慮以下幾種載荷：軸向拉力，橫向剪切力，彎矩及扭矩。軸向拉力是螺栓的主應(yīng)力，幾乎所有載荷及變形都會產(chǎn)生拉應(yīng)力。其次是螺栓扭矩，主要通過螺栓預(yù)緊所產(chǎn)生。橫向剪切力一般通過容器結(jié)構(gòu)保護(hù)，可以忽略其作用。在分析螺栓所需預(yù)緊力時，主要是考慮螺栓所受的軸向拉力。

乏燃料運輸容器的螺栓軸向載荷應(yīng)考慮以下五種載荷：

1）密封圈產(chǎn)生的載荷

3）沖擊載荷

根據(jù)GB 11806的要求，乏燃料運輸容器需進(jìn)行9m跌落分析。9m跌落又分為垂直跌落、角跌落及水平跌落等多個姿態(tài)。角跌落及水平跌落時部分或全部沖擊載荷轉(zhuǎn)化為螺栓的橫向剪切載荷，只有當(dāng)容器垂直姿態(tài)跌落時沖擊載荷全部轉(zhuǎn)化為軸向拉力。在分析沖擊載荷對螺栓產(chǎn)生的最大軸向拉力載荷時，應(yīng)取容器垂直跌落且容器頂部著地的姿態(tài)。此時保守考慮內(nèi)容物以最大加速度ad沖擊容器蓋（見圖3），容器蓋也以最大加速度ad產(chǎn)生于筒體分離的趨勢。作用在螺栓上的拉力公式為：

4）貫穿載荷

根據(jù)GB 11806的要求，乏燃料運輸容器需進(jìn)行1m貫穿分析。由于1m貫穿的靶件長度為200mm，乏燃料運輸容器端部都設(shè)有減震器，減震器有足夠的厚度，所以端部1m貫穿不會使得靶件穿透至容器蓋。由于端部1m貫穿工況的加速度遠(yuǎn)小于9m端部跌落工況下的加速度，所以1m貫穿工況產(chǎn)生的沖擊載荷小于9m端部跌落工況下的沖擊載荷。同樣，其它角度貫穿工況產(chǎn)生的沖擊載荷也都小于對應(yīng)角度9m跌落工況的載荷。由于GB 11806中不要求1m貫穿工況和9m跌落工況疊加，所以在考慮預(yù)緊力時可以保守考慮沖擊載荷較大的9m跌落，而不需考慮1m貫穿工況。

5）由溫度變化產(chǎn)生的載荷

螺栓連接處及相關(guān)零件受熱不均勻膨脹會對螺栓產(chǎn)生相應(yīng)的載荷。螺栓連接處的不均勻溫度差、熱膨脹系數(shù)差都會引起零件的膨脹差。通常乏燃料運輸容器螺栓連接的零件材質(zhì)相似或相同且傳熱效果較好，溫度載荷對螺栓的影響不顯著。溫度載荷不會與跌落或貫穿載荷疊加，所以在預(yù)緊力的分析中可以將其忽略。

通過上述分析，為了保證乏燃料運輸容器能夠滿足GB11806的要求，螺栓的預(yù)緊力Fpre應(yīng)由密封圈產(chǎn)生的載荷For，壓力產(chǎn)生的載荷Fpress以及9m端部跌落產(chǎn)生的載荷Fd組成，即：

3 螺栓預(yù)緊力矩的確定

在螺栓尺寸和預(yù)緊力確定的情況下，預(yù)緊力矩取決于扭矩系數(shù)。可見扭矩系數(shù)反映了螺栓軸向預(yù)緊力與預(yù)緊扭矩的關(guān)系，它包括了預(yù)緊力矩和預(yù)緊力之間關(guān)系的一切影響因素。影響扭矩系數(shù)的因素有兩個：首先是緊固件的幾何形狀，螺栓相當(dāng)于一種“螺旋上升平面”，因此幾何形狀影響了整個螺紋連接中力的分布情況；其次是摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)越低則扭矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的比例越高。

獲取扭矩系數(shù)有三種方法：

1）查表法，不同接觸表面的參考預(yù)緊力矩系數(shù)見表1[3]。

2）試驗測定法，根據(jù)GB/T1231-2006的規(guī)定，按批抽取8套連接副，檢驗并計算其扭矩系數(shù)，扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)小于等于0.010。

綜合對比以上三種方法：查表法所得到的扭矩系數(shù)往往不夠精確，在工程應(yīng)用上不予推薦；試驗測定法對于一般的高強(qiáng)螺栓螺母聯(lián)接較為適用，對于乏燃料運輸容器這種特殊形式的螺栓法蘭聯(lián)接還有待進(jìn)一步研究；公式法能夠計算出較為保守的扭矩系數(shù)，推薦用于確定乏燃料運輸容器的螺栓扭矩系數(shù)。

4 結(jié)論

通過本文對乏燃料運輸容器螺栓預(yù)緊力分析表明，應(yīng)考慮9米端部跌落、密封圈載荷以及內(nèi)壓載荷疊加產(chǎn)生的拉力，螺栓最小預(yù)緊力應(yīng)不小于上述拉力組合才能保證螺紋結(jié)構(gòu)的安全性能。確定了預(yù)緊力后，應(yīng)通過公式法進(jìn)行計算確定扭矩系數(shù)。從而得出為保證乏燃料運輸容器螺栓安全性能的預(yù)緊扭矩，為容器的安全運行提供了保障。

【參考文獻(xiàn)】

[1]ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范 附錄E，The American society of Mechanical Engineers，2013.

[2]GB10086 放射性物質(zhì)安全運輸規(guī)程[S].2004.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[責(zé)任編輯：田吉捷]