陳一偉，黃炳臣，沈 偉，石 紅，張強(qiáng)升

（生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

抗震鑒定作為核安全設(shè)備鑒定的一部分，對(duì)民用核安全設(shè)備的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。核級(jí)設(shè)備的抗震鑒定一般可采用抗震分析、抗震試驗(yàn)、分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法。目前，抗震分析作為抗震鑒定的一種方法，廣泛應(yīng)用于核電廠各類設(shè)備的安全評(píng)價(jià)中。螺栓是連接核電廠各設(shè)備的重要部件，螺栓的安全關(guān)系到整個(gè)核級(jí)設(shè)備乃至整個(gè)核電廠的安全。因此，對(duì)不同工況及不同位置的螺栓進(jìn)行準(zhǔn)確的剛度和強(qiáng)度分析對(duì)保證核電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義［1-3］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在核級(jí)設(shè)備連接螺栓的強(qiáng)度研究方面進(jìn)行了不少研究。張續(xù)鐘等人［4-6］研究了螺栓預(yù)緊力確定的方法，給出螺栓裝配預(yù)緊力的計(jì)算方法；季同盛、崔赪昕等人［7-9］通過(guò)有限元方法分析了螺栓連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。但大多數(shù)分析主要針對(duì)承壓部件及關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)緊固螺栓的評(píng)定采用的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和方法不一，甚至很多抗震分析中忽略了對(duì)緊固螺栓的評(píng)定。這對(duì)于抗震分析的完整性及核電廠的整體安全性有重大影響。

1 螺栓模型建立原則

我們利用有限元ANSYS∕WORKBENCH 等軟件對(duì)所分析的螺栓進(jìn)行建模。對(duì)于螺栓體，我們應(yīng)盡量按照實(shí)際模型進(jìn)行建模，針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或者螺栓數(shù)量過(guò)多的模型，可用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。實(shí)體模型與螺栓之間，螺栓孔與螺柱面通過(guò)綁定約束；面模型與螺栓之間的約束，采用不大于螺栓墊片面積的面單元與螺柱面的綁定約束連接。

2 評(píng)定過(guò)程

2.1 采用RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的核電設(shè)備連接螺栓評(píng)定準(zhǔn)則

2.1.1 承壓部件的連接螺栓評(píng)定

對(duì)于閥體與閥蓋、泵蓋與渦輪、壓力筒體與封頭等承壓部件之間的連接螺栓，我們應(yīng)采用RCC-M（壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則）ZV章節(jié)進(jìn)行校核。下面以某核電廠核級(jí)閥門閥蓋與閥體的16根奧氏體連接螺栓為例，依據(jù)RCCM C3563.4按照強(qiáng)制性附錄ZV的要求進(jìn)行校核。

根據(jù)有限元分析法，計(jì)算連接螺栓在事故工況下的應(yīng)力強(qiáng)度分布，得出16 根螺栓的最大應(yīng)力，見表1。

表1 16根連接螺栓應(yīng)力評(píng)定結(jié)果表Table 1 Stress evaluation of 16 connecting bolts單位：MPa

螺栓在事故工況下的最大應(yīng)力為15.07 MPa，遠(yuǎn)小于螺栓材料在室溫下的許用應(yīng)力，且有較大的設(shè)計(jì)裕度。

根據(jù)RCC-M ZV233 的要求，本文對(duì)螺栓最小截面進(jìn)行校驗(yàn)。

設(shè)計(jì)工況下需滿足公式：

式中，F(xiàn)S(PC)——緊固力，N；

SA——最小截面積，m2；

S——設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，N∕m2。

工作條件下需滿足公式：

式中：Eh——工作溫度時(shí)螺栓材料的彈性模量，MPa；

Ec——螺栓材料在室溫20℃下的彈性模量，MPa；

S——工作溫度下的基本許用應(yīng)力，S=120 MPa；

Sy——工作溫度下的屈服強(qiáng)度值，Sy=480 MPa。

根據(jù)式（2）計(jì)算得到的所需最小截面積見表2。由表2可知，螺栓面積滿足RCC-M強(qiáng)制性附錄ZV的要求。

表2 螺栓的最小截面面積Table 2 Minimum cross section area of bolts單位：mm2

2.1.2 非承壓部件的連接螺栓評(píng)定

對(duì)于非承壓部件的連接螺栓，我們應(yīng)根據(jù)RCC-M 強(qiáng)制性附錄ZVI 2460 螺栓緊固件連接要求，采用公式（3）進(jìn)行校核：

式中，ft——實(shí)際拉伸應(yīng)力，MPa；

Ftb——許用拉伸應(yīng)力，MPa；

fv——實(shí)際剪切應(yīng)力，MPa；

Fvb——許用剪切應(yīng)力，MPa；

奧氏體螺栓：Ftb=0.3Su，F(xiàn)vb=Su∕8；

鐵素體螺栓：Ftb=0.5Su，F(xiàn)vb=5Su∕24。

2.2 采用ASME標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的核電設(shè)備連接螺栓評(píng)定準(zhǔn)則

2.2.1 承壓部件的連接螺栓評(píng)定

對(duì)于承壓部件之間的連接螺栓，我們應(yīng)按照ASME（鍋爐及壓力容器規(guī)范）核電標(biāo)準(zhǔn)第III卷第1 冊(cè)附錄XI 提供的評(píng)定方法進(jìn)行螺栓最小截面積的評(píng)定，即按照式（4）進(jìn)行評(píng)定，材料的許用應(yīng)力由ASME 第Ⅱ卷D篇1分篇表3查得。

式中，Ab——實(shí)際螺栓最小截面積，m2；

Am——螺栓所需最小截面積，m2；

G——墊片載荷反作用力處的直徑，m；

P——設(shè)計(jì)壓力，Pa；

b——墊片壓緊有效寬度，m；

Sa——常溫下螺栓許用應(yīng)力，MPa；

Sb——設(shè)計(jì)溫度下螺栓許用應(yīng)力，MPa；

m——內(nèi)壓的倍數(shù)；

y——墊片或連接接觸面的單位壓緊載荷，N。

2.2.2 非承壓部件的連接螺栓評(píng)定

對(duì)于非承壓連接螺栓，我們應(yīng)根據(jù)ASME第III 卷第1 冊(cè)NF 分卷提供的評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，按照相應(yīng)的準(zhǔn)則對(duì)4 種工況分別去驗(yàn)收。4 種工況的驗(yàn)收準(zhǔn)則見表3。

3 結(jié)論

在核級(jí)設(shè)備抗震分析時(shí)，我們往往對(duì)關(guān)鍵承壓部件著重計(jì)算，而忽略了螺栓的校核或采用不適用的準(zhǔn)則進(jìn)行校核。本文在RCC-M 及ASME標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了螺栓校核的方法及評(píng)定準(zhǔn)則，對(duì)核級(jí)設(shè)備抗震分析的連接螺栓的評(píng)定提供了參考依據(jù)。

表3 連接螺栓應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則Table 3 Stress evaluation criteria for connecting bolts