基于金屬與金屬接觸的蒸汽發(fā)生器螺栓預(yù)緊載荷研究

湯臣杭，何勁松，余 平，周 永

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)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(shè)有人孔、手孔和檢查孔等開孔結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)有兩種類型:一種是金屬與金屬不接觸或浮動(dòng)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(diǎn)是將墊片壓縮到預(yù)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(dāng)存在介質(zhì)壓力和溫度波動(dòng)時(shí)，墊片上的密封載荷不發(fā)生改變，使整個(gè)密封結(jié)構(gòu)保持在最佳的泄漏控制狀態(tài)，同時(shí)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(xiǎn)［1］。

由于核電廠的特殊性，對(duì)密封結(jié)構(gòu)要求十分嚴(yán)格，不允許出現(xiàn)任何泄漏，目前國內(nèi)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(jié)構(gòu)，墊片采用膨脹石墨墊。典型的密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的密封結(jié)構(gòu)示意

在螺栓－法蘭密封結(jié)構(gòu)中，螺栓預(yù)緊力的控制是保證整個(gè)密封結(jié)構(gòu)可靠性的重要條件。文中分析比較了傳統(tǒng)方法中螺栓預(yù)緊力的確定方法，并基于金屬與金屬接觸的密封機(jī)理，對(duì)蒸汽發(fā)生器密封結(jié)構(gòu)螺栓載荷的確定進(jìn)行了探討;同時(shí)，結(jié)合有限元分析方法，研究了螺栓載荷與螺栓伸長(zhǎng)量的關(guān)系，給出了蒸汽發(fā)生器密封結(jié)構(gòu)螺栓伸長(zhǎng)量的確定方法。

1 螺栓預(yù)緊載荷的確定

1.1 傳統(tǒng)的螺栓載荷確定方法

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

式中 H——作用于墊片反力直徑所限定的區(qū)域上內(nèi)壓所產(chǎn)生的作用力，N

Hp——能保證密封的壓緊載荷，N

P——設(shè)計(jì)壓力或水壓試驗(yàn)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(yù)緊載荷為所需要的最小螺栓載荷，而螺栓載荷的上限應(yīng)確保螺栓及密封結(jié)構(gòu)應(yīng)力不超過其應(yīng)力限值。實(shí)際的螺栓載荷通常根據(jù)所計(jì)算的螺栓載荷的上、下限并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定［3］。

針對(duì)核設(shè)備設(shè)計(jì)，在 RCC－M規(guī)范［4］附錄ZV中對(duì)螺栓預(yù)緊力的規(guī)定如下:螺栓預(yù)緊載荷必須滿足設(shè)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(jìn)行計(jì)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(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，兩者對(duì)螺栓預(yù)緊力的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的預(yù)緊工況下所需要的預(yù)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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定操作工況下的預(yù)緊力Wm1類似，不同的是，RCC－M規(guī)范中未引進(jìn)墊片系數(shù)的概念，對(duì)于壓力作用下保證密封所需要的力FM(P)的計(jì)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(duì)螺栓載荷計(jì)算的影響。

針對(duì)采用膨脹石墨墊片的蒸汽發(fā)生器密封結(jié)構(gòu)，ASME標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算方法。因此，直接使用以上兩種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算蒸汽發(fā)生器螺栓預(yù)緊力均存在一定困難。

1.2 金屬與金屬接觸的密封結(jié)構(gòu)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(nèi)環(huán)(見圖2)。固定環(huán)起到限制石墨壓縮的作用;內(nèi)環(huán)限制石墨的流動(dòng);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(jié)構(gòu)示意

在施加初始預(yù)緊力時(shí)，密封面首先與石墨環(huán)接觸，此時(shí)僅石墨環(huán)受力，繼續(xù)施加預(yù)緊力時(shí)，石墨受到壓縮直至固定環(huán)與密封面接觸，從而達(dá)到金屬與金屬接觸的狀態(tài)，如圖3所示［5－6］。此時(shí)石墨環(huán)達(dá)到預(yù)計(jì)的壓縮量，已經(jīng)有足夠的致密性可起到密封作用。但在操作工況下，由于內(nèi)壓的作用，會(huì)導(dǎo)致密封墊片上的作用力降低，因此需施加額外的預(yù)緊力以抵消內(nèi)壓的作用，確保在操作工況時(shí)始終保持在金屬與金屬接觸的狀態(tài)。在螺栓預(yù)緊時(shí)，施加的額外作用力同時(shí)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(yù)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(jié)構(gòu)，只有一部分預(yù)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(bǔ)償內(nèi)壓導(dǎo)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(duì)于金屬與金屬接觸的密封結(jié)構(gòu)，根據(jù)其密封機(jī)理，在內(nèi)壓作用下，為保持密封效果，應(yīng)使密封結(jié)構(gòu)始終保持在金屬與金屬接觸的狀態(tài)。因此螺栓預(yù)緊力在克服內(nèi)壓作用下使密封結(jié)構(gòu)趨于分開的作用力FF(P)之后，還應(yīng)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(gè)重要特性參數(shù)為金屬與金屬接觸時(shí)的墊片應(yīng)力，達(dá)到該應(yīng)力水平所需的壓緊載荷R可通過試驗(yàn)獲得。

對(duì)于膨脹石墨墊片，當(dāng)墊片產(chǎn)生相同的壓縮量達(dá)到金屬與金屬接觸時(shí)，墊片應(yīng)力隨著溫度的升高而降低，但變化較?。?］，即達(dá)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(dá)到金屬與金屬接觸時(shí)的壓緊載荷計(jì)算所需要的螺栓預(yù)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(jìn)行計(jì)算:

式中 FF(P)——在內(nèi)壓作用下使密封結(jié)構(gòu)趨于分開的作用力，N

R——室溫下金屬與金屬接觸時(shí)墊片的壓緊載荷，N

2 螺栓伸長(zhǎng)量的確定

螺栓預(yù)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(jié)構(gòu)通常采用液壓螺栓拉伸機(jī)施加螺栓預(yù)緊力。這種方法相比力矩法和螺母轉(zhuǎn)角法，具有操作簡(jiǎn)單、預(yù)緊效率高、預(yù)緊精度高等優(yōu)點(diǎn)［7－8］。

明確螺栓預(yù)緊力后，需要根據(jù)預(yù)緊力值計(jì)算對(duì)應(yīng)的螺栓伸長(zhǎng)量以便實(shí)施預(yù)緊力控制。蒸汽發(fā)生器人孔螺栓預(yù)緊時(shí)，有3部分參與伸長(zhǎng)，如圖4所示。

圖4 螺栓伸長(zhǎng)連接計(jì)算示意

根據(jù)虎克定律［9］，在螺栓材料的彈性范圍內(nèi)，伸長(zhǎng)量和載荷成正比關(guān)系，螺栓伸長(zhǎng)量可用下式進(jìn)行計(jì)算:

式中 FSO——螺栓預(yù)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(zhǎng)度，mm

L2——螺栓光桿部分的有效拉伸長(zhǎng)度，mm

L3——螺栓與螺母嚙合部分的有效拉伸長(zhǎng)度，mm

A1，A2，A3——對(duì)應(yīng)的應(yīng)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(zhǎng)度L2即為螺栓光桿本身的長(zhǎng)度。螺栓與法蘭、螺母嚙合部分的有效拉伸長(zhǎng)度L1和L3，由于存在螺紋嚙合，并非所有嚙合范圍的長(zhǎng)度均為螺栓有效拉伸長(zhǎng)度，螺紋嚙合部分的有效拉伸長(zhǎng)度的計(jì)算通常需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定。

另外，也可通過試驗(yàn)的方法，進(jìn)行預(yù)緊力與伸長(zhǎng)量的標(biāo)定，通過標(biāo)定曲線計(jì)算螺栓伸長(zhǎng)量。采用試驗(yàn)方法進(jìn)行螺栓預(yù)緊力和伸長(zhǎng)量的標(biāo)定需針對(duì)每一個(gè)特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，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(zhǎng)量關(guān)系曲線，以確定給定載荷條件下的所需螺栓伸長(zhǎng)量。

3 螺栓預(yù)緊的有限元模擬

3.1 計(jì)算模型

針對(duì)蒸汽發(fā)生器一次側(cè)人孔密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，取其中一根螺栓作為分析對(duì)象，對(duì)不參與拉伸的部分進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)如圖5所示。

預(yù)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(duì)面的接觸單元Targe 169和Conta 172，并假設(shè)初始狀態(tài)為每對(duì)螺紋間剛好接觸，網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖5 蒸汽發(fā)生器一次側(cè)人孔密封結(jié)構(gòu)有限元模型幾何結(jié)構(gòu)

圖6 法蘭－螺栓－螺母連接網(wǎng)格劃分示意

3.2 螺栓載荷與螺栓伸長(zhǎng)量關(guān)系

通過有限元計(jì)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(zhǎng)量。同時(shí)，可分別獲得每一個(gè)螺栓伸長(zhǎng)量對(duì)應(yīng)的螺栓光桿部分橫截面的應(yīng)力，應(yīng)力與螺栓載荷的換算可通過下式進(jìn)行:

式中 A——螺栓光桿部分截面積，mm2

σ——光桿部分橫截面的應(yīng)力，MPa

通過上述處理，可獲得蒸汽發(fā)生器一次側(cè)人孔螺栓載荷—伸長(zhǎng)量曲線圖，如圖7所示?？梢钥闯?，螺栓預(yù)緊力與伸長(zhǎng)量呈線性關(guān)系，說明螺栓在彈性范圍內(nèi)。

圖7 蒸發(fā)器一次側(cè)人孔螺栓載荷—伸長(zhǎng)量曲線

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

蒸汽發(fā)生器一次側(cè)人孔密封結(jié)構(gòu)主要參數(shù)和工況參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)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(zhǎng)量曲線圖(見圖7)可確定所需要的螺栓伸長(zhǎng)量。根據(jù)文中計(jì)算方法獲得的蒸汽發(fā)生器一次側(cè)人孔所需要的螺栓伸長(zhǎng)量和核電工程中實(shí)際控制的螺栓伸長(zhǎng)量比較見表2。

表2 螺栓伸長(zhǎng)量計(jì)算比較

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

4 結(jié)語

(1)分析比較了ASME標(biāo)準(zhǔn)和RCC－M規(guī)范中關(guān)于螺栓－法蘭連接結(jié)構(gòu)螺栓預(yù)緊力確定方法的差異。兩種標(biāo)準(zhǔn)中均給出了預(yù)緊力的確定方法，但均需結(jié)合特定的墊片性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

(2)基于金屬與金屬接觸的密封機(jī)理，結(jié)合ASME和RCC－M規(guī)范，提出了核電站蒸汽發(fā)生器密封結(jié)構(gòu)螺栓預(yù)緊力的確定方法。

(3)通過ANSYS有限元分析計(jì)算，建立螺栓載荷—伸長(zhǎng)量曲線，給出了螺栓伸長(zhǎng)量確定的方法，對(duì)于提高螺栓設(shè)計(jì)的可維修性有著一定的意義。計(jì)算結(jié)果表明，文中計(jì)算方法與工程實(shí)際使用值符合較好。

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