章 亮，霍兆斌，趙 強(qiáng)，王寧寧

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市 100053；2.山西西龍池抽水蓄能有限責(zé)任公司，山西省忻州市 035500；3.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司，河南省南陽(yáng)市 474650）

0 引言

抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)組工況轉(zhuǎn)換頻繁，頂蓋座環(huán)連接螺栓受力比較復(fù)雜，俄羅斯薩揚(yáng)—舒申斯克水電站和我國(guó)的某抽水蓄能電站發(fā)生過(guò)頂蓋螺栓斷裂引起水淹廠房嚴(yán)重后果的事件[1-3]。針對(duì)連接螺栓，國(guó)內(nèi)學(xué)者展開(kāi)了大量的研究工作[4-11]，頂蓋螺栓的預(yù)緊對(duì)機(jī)組的安全有著重要的影響，預(yù)緊力過(guò)小可能引起螺栓的應(yīng)力幅值過(guò)大，造成疲勞破壞；預(yù)緊力過(guò)大可能引起螺栓的靜載荷過(guò)大，造成螺栓塑性變形甚至斷裂，且由于預(yù)緊力過(guò)大可能會(huì)造成頂蓋和座環(huán)的破壞。某在運(yùn)行抽水蓄能電站擬利用機(jī)組大修將當(dāng)前的螺栓預(yù)緊應(yīng)力提升，其主要目的是增加預(yù)緊應(yīng)力同工作應(yīng)力的比值。

1 頂蓋螺栓的受力特點(diǎn)

施加預(yù)緊力F0是為了增強(qiáng)連接的可靠性、緊密性和剛性，提高連接的防松能力，防止受載后被連接件間出現(xiàn)間隙或發(fā)生相對(duì)位移；對(duì)于受變載荷的螺紋連接還可提高其疲勞強(qiáng)度。當(dāng)受到工作載荷F時(shí)，預(yù)緊力也發(fā)生變化，變化后的預(yù)緊力稱(chēng)為殘余預(yù)緊力F1，起到防松連接可靠性、緊密性的作用[12，13]。因此，有螺栓的總載荷F2=F+F1。

為了保證連接的緊密性，防止連接受載后結(jié)合面產(chǎn)生縫隙，應(yīng)使F1＞0，推薦采用的F1為：對(duì)于有緊密性要求的連接，F(xiàn)1=(1.5～1.8)F；對(duì)于一般的連接，工作載荷穩(wěn)定時(shí)，F(xiàn)1=(0.2～0.6)F；工作載荷不穩(wěn)定時(shí)，F(xiàn)1=(0.6～1.0)F。

螺栓所承受的總拉力F2也可按照式（1）計(jì)算：

2 預(yù)緊力提升方案

該抽水蓄能電站機(jī)組頂蓋螺栓在設(shè)計(jì)壓力下的工作載荷最大，其次是在雙機(jī)甩負(fù)荷的工況下，不同工況下螺栓的工作載荷如圖1所示。

圖1 各工況下螺栓的工作載荷Figure 1 The working loads of bolts in various working conditions

該抽水蓄能電站頂蓋把合螺栓螺母呈同心圓狀均勻分布80 個(gè)，頂蓋螺栓螺紋的連接規(guī)格為M130×6，當(dāng)前的預(yù)緊應(yīng)力由294MPa 提升至440MPa 后，如果螺栓和螺母不能滿足要求，則需要進(jìn)行更換。此外，由于頂蓋、座環(huán)均無(wú)法更換，需對(duì)提升預(yù)緊力后頂蓋和座環(huán)的強(qiáng)度是否能否滿足要求進(jìn)行復(fù)核。

2.1 螺栓強(qiáng)度復(fù)核

根據(jù)頂蓋螺栓的受力特點(diǎn)及安裝特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)緊力提升后需保證以下值：

（1）螺栓的預(yù)緊應(yīng)力與設(shè)計(jì)工作應(yīng)力（最不利工況對(duì)應(yīng)的應(yīng)力）的比值（定義為預(yù)緊安全系數(shù)）≥2.0。

（2）螺栓殘余預(yù)緊力與工作載荷的比值（定義為夾緊力安全系數(shù)）≥0.6。

（3）螺栓截面平均應(yīng)力的最大值與材料屈服強(qiáng)度的比值（定義為材料安全系數(shù)）≤2/3。

表1 為螺栓、螺母、頂蓋和座環(huán)的材料及強(qiáng)度要求。

表1 各部件的力學(xué)性能要求值

由圖2 和圖3 可見(jiàn)，當(dāng)提升預(yù)緊力后，螺栓的預(yù)緊安全系數(shù)和夾緊力安全力系數(shù)都增加，能夠增加連接結(jié)構(gòu)的緊密性。

圖2 各工況下的預(yù)緊安全系數(shù)Figure 2 The preload safety factors in various working conditions

螺栓預(yù)緊時(shí)操作時(shí)，預(yù)緊力是可以無(wú)限提高的，在沒(méi)有其他載荷的條件下，都有可能由于預(yù)緊力過(guò)大使得螺栓斷裂，因此，限制頂蓋螺栓的材料許用安全系數(shù)應(yīng)該取1.5，即總載荷小于材料屈服強(qiáng)度的2/3。由圖4 可見(jiàn)，當(dāng)提升預(yù)緊力后，螺栓的材料安全系數(shù)均接近或超過(guò)0.6，更加接近螺栓材料屈服強(qiáng)度的2/3，螺栓發(fā)生斷裂的風(fēng)險(xiǎn)增加。

圖4 各工況下的材料安全系數(shù)Figure 4 The material safety factors in various working conditions

2.2 螺母的強(qiáng)度復(fù)核

螺母的結(jié)構(gòu)如圖5所示，螺母采用內(nèi)六角預(yù)緊孔施加扭矩預(yù)緊。

圖5 螺母結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）Figure 5 Drawing of nut structure（unit：mm）

當(dāng)預(yù)緊力提升后，需對(duì)螺母的螺紋部分以及內(nèi)六角預(yù)緊孔的強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核。螺紋牙的受力分析，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是將螺紋牙展開(kāi)后，將其視為懸臂梁，螺紋牙承受沿螺栓軸向的載荷力，根據(jù)集中力的原則，則力的作用點(diǎn)位于螺紋牙中徑。對(duì)螺紋牙的強(qiáng)度校核通常包括抗剪切校核、抗彎曲校核。螺母材料的屈服強(qiáng)度下限為355MPa，螺母螺紋部分的不合格，需要更換螺母。通過(guò)抗剪切校核、抗彎曲核校驗(yàn)的結(jié)果，選定新螺母材料為JIS G4053 SNC631，材料屈服強(qiáng)度≥685MPa，抗拉強(qiáng)度≥830MPa，螺母強(qiáng)度低于螺栓強(qiáng)度，有較好的匹配性。

螺母安裝時(shí)是扭矩控制的，扭矩計(jì)算時(shí)的扭矩系數(shù)K值一般取0.2，預(yù)緊應(yīng)力為440MPa。有限元計(jì)算的結(jié)果表明，局部最大應(yīng)力為755MPa，超過(guò)了螺母材料的屈服強(qiáng)度的最低要求，產(chǎn)生最大應(yīng)力的位置很小。按照ASME 第Ⅷ卷第2 冊(cè)第五章的分析設(shè)計(jì)原則，將應(yīng)力劃分為一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，然后采用不同的強(qiáng)度條件對(duì)各種應(yīng)力及其組合限制。當(dāng)有一次薄膜應(yīng)力、二次薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力組合不超過(guò)材料許用應(yīng)力的3 倍，其中，許用應(yīng)力按照屈服強(qiáng)度的2/3 和抗拉強(qiáng)度的1/3 的較小值取值，如圖6[15]所示。

更換后的螺母的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的下限值分別為685MPa 和830MPa，許用應(yīng)力為276.67MPa。按照分析設(shè)計(jì)校核的原則，應(yīng)力組合最大處為755MPa，小于許用應(yīng)力的3倍830MPa，強(qiáng)度合格。

2.3 頂蓋的聯(lián)結(jié)安全

螺栓受到的總載荷為拉力，墊圈及頂蓋受到同樣大小的壓力。未增加墊圈時(shí)，總載荷通過(guò)螺母的截面積作用到頂蓋上，由于頂蓋無(wú)法更換，提升預(yù)緊力后，壓應(yīng)力超過(guò)頂蓋的屈服極限，因此，只能通過(guò)增大接觸面積的方式減小頂蓋的壓應(yīng)力。在頂蓋螺母和頂蓋之間加一個(gè)20mm 的墊圈，材料為JIS G4051 S45CN，屈服強(qiáng)度≥345MPa。增加墊圈后，螺母和墊圈之間的受力面積同墊圈和頂蓋之間的受力面積對(duì)此見(jiàn)圖7，后者面積是前者面積的2.4 倍。增加墊圈前，總載荷通過(guò)螺母的截面積作用到頂蓋上，而在增加墊圈后，總載荷通過(guò)墊圈的截面積作用到頂蓋上，頂蓋應(yīng)力值約為增加墊圈前的40%，為127.5MPa，小于頂蓋的屈服強(qiáng)度，滿足使用要求。

圖7 螺母和墊圈之間的受力面積同墊圈和頂蓋之間的受力面積對(duì)比（單位：mm）Figure 7 The comparison of stress areas between nut with washer and washer and head cover（unit：mm）

墊圈的應(yīng)力值為307.8MPa，小于其屈服強(qiáng)度，滿足使用要求。由于增加螺紋了墊圈，螺栓的長(zhǎng)度也需要增加20mm。如果螺栓的或者螺紋部分的長(zhǎng)度不能滿足預(yù)緊要求，則需更換螺栓。

2.4 座環(huán)內(nèi)螺紋的安全

座環(huán)內(nèi)螺紋主要校核其剪切強(qiáng)度，同前述螺母的內(nèi)螺紋校核的內(nèi)容一致，校核結(jié)果滿足使用要求。內(nèi)螺紋校核的結(jié)果為：剪切應(yīng)力為105.9MPa，小于許用剪切應(yīng)力112.6MPa，提升預(yù)緊力后坐環(huán)的內(nèi)螺紋是安全的。

3 其他

施加預(yù)緊力是為了保證螺栓連接副的穩(wěn)定性，保證殘余預(yù)緊力滿足要求，這是螺紋連接副的使用要求。當(dāng)按照294MPa 預(yù)緊時(shí)，預(yù)緊安全系數(shù)為1.34，此時(shí)的殘余預(yù)緊力安全系數(shù)為0.64，材料安全系數(shù)為0.43，滿足整體穩(wěn)定性的要求。

提高預(yù)緊力需增加螺母的扭矩，對(duì)于按照扭矩控制的螺栓，增加螺母破壞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)會(huì)給頂蓋、座環(huán)的安全性帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，且需更換螺栓。特別是對(duì)于該電站已經(jīng)經(jīng)過(guò)雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)，且已安全運(yùn)行一個(gè)大修周期，進(jìn)一步增加預(yù)緊力的必要性值得討論。

4 結(jié)論

（1）按照螺栓的受力分析，當(dāng)提升預(yù)緊力后，預(yù)緊安全系數(shù)、夾緊力安全系數(shù)、材料安全系數(shù)的均滿足要求。

（2）提升預(yù)緊力后，螺母的內(nèi)螺紋校驗(yàn)不合格，需要更換材料強(qiáng)度更高的螺母。扭矩造成新螺母內(nèi)六角預(yù)緊孔局部應(yīng)力超過(guò)屈服極限，按照ASME 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)原則，不會(huì)發(fā)生塑性垮塌，可以安全使用。

（3）在頂蓋和座環(huán)之間增加墊圈可以使得頂蓋的接觸面積增大，壓應(yīng)力減小，頂蓋的校驗(yàn)結(jié)果合格，墊圈和座環(huán)的強(qiáng)度也符合要求。由于增加了墊圈，螺栓的長(zhǎng)度增加，需要更換螺栓。

（4）提升預(yù)緊力需更換螺母和螺栓，且造成頂蓋和座環(huán)的應(yīng)力比之前增加，進(jìn)一步增加預(yù)緊力的必要性值得討論。