反應(yīng)堆壓力容器主螺栓螺紋副結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

胡大芬，陳 蓉，楊景超，劉東杰，冉小兵

(1.核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518172;2.深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東深圳 518172)

0 引言

反應(yīng)堆壓力容器(RPV)是核電站一回路冷卻劑系統(tǒng)的重要壓力邊界，是整個核電站的核心設(shè)備[1]，其密封性能直接影響著機(jī)組正常運(yùn)行。RPV由頂蓋組件、容器組件和主螺栓緊固組件等組成，并通過兩道C形密封環(huán)實(shí)現(xiàn)其密封。RPV密封性能是由其主螺栓緊固組件來保證的，RPV主螺栓緊固組件通過主螺栓螺紋副將容器法蘭、C形密封環(huán)和頂蓋法蘭聯(lián)接起來，實(shí)現(xiàn)RPV的密封[2]。

本文對主螺栓螺紋副設(shè)計遵循的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行梳理研究，并分析主螺栓螺紋副結(jié)構(gòu)參數(shù)對其承載和主螺栓安裝的影響，同時結(jié)合RPV主螺栓螺紋副相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并在上述研究基礎(chǔ)上，對RPV主螺栓螺紋副結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證計算，可為各堆型RPV主螺栓螺紋副的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 反應(yīng)堆壓力容器主螺栓螺紋副結(jié)構(gòu)

RPV主螺栓螺紋副結(jié)構(gòu)及其螺紋牙結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要包括：主螺栓與主螺孔間的螺紋副以及主螺栓和主螺母間的螺紋副結(jié)構(gòu)。

(a)

(b)

由圖1可以看出，RPV主螺栓螺紋副的螺紋為非標(biāo)普通螺紋(螺紋牙頂和牙底采用雙倒圓角)，且主螺栓螺紋副為RCC-M規(guī)范[3]1級部件，因此，有必要對其螺紋設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求進(jìn)行分析。

2 反應(yīng)堆壓力容器主螺栓螺紋副螺紋設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)分析研究

盡管RPV主螺栓螺紋副螺紋是非標(biāo)普通螺紋，但其螺紋設(shè)計仍可參考普通螺紋標(biāo)準(zhǔn)。由于普通螺紋與統(tǒng)一螺紋的牙型角一致(60°)，故統(tǒng)一螺紋的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對RPV主螺栓螺紋副螺紋設(shè)計有一定參考作用。本文就規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中螺紋設(shè)計要求對RPV主螺栓螺紋副螺紋設(shè)計的適用性進(jìn)行分析。

2.1 對螺紋副材料的要求

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中對螺栓設(shè)計的要求，以及相關(guān)文獻(xiàn)[5-6]報道，螺栓和螺母的材料應(yīng)采用不同材料或相同材料不同的熱處理?xiàng)l件，以使其具有不同的硬度，防止螺母旋合過程中發(fā)生咬死現(xiàn)象。

根據(jù)CPR1000等堆型RPV主螺栓、主螺母和主螺孔的材料，上述要求適用于主螺栓螺紋副的材料選擇。

2.2 對螺紋牙型、螺紋規(guī)格和螺距選擇的要求

GB/T 192—2003[7]對普通螺紋的基本牙型進(jìn)行了規(guī)定。GB/T 193—2003[8]中表1規(guī)定了普通螺紋的直徑與螺距組合的選擇原則。

根據(jù)RPV主螺栓螺紋副的螺紋牙型結(jié)構(gòu)，上述標(biāo)準(zhǔn)適用于主螺栓螺紋副的螺紋設(shè)計。

2.3 對螺紋配合長度的要求

GB/T 197—2003[9]中對各螺紋規(guī)格及螺距對應(yīng)的螺紋配合長度進(jìn)行了規(guī)定，螺紋配合長度分為3個等級：S級、N級和L級，其中L級螺紋配合長度只給出了最小值，并未給出最大值。而《公制、美制和英制螺紋標(biāo)準(zhǔn)手冊》(第三版)[10]中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一螺紋的螺紋配合長度不得超過1.5D(D為螺紋公稱直徑)。此外，GB/T 150.3—2011[11]中7.7.4節(jié)對螺孔有效螺紋長度進(jìn)行了規(guī)定，要求其不小于(1.3～1.5)D。

根據(jù)CPR1000等堆型RPV主螺栓螺紋副的螺紋配合長度分析，上述標(biāo)準(zhǔn)適用于主螺栓螺紋副的螺紋設(shè)計。

2.4 對螺紋基本尺寸及公差帶的要求

GB/T 196—2003[12]中對各螺紋規(guī)格和螺距相應(yīng)螺紋基本尺寸(即螺紋基本大、中、小徑)的取值進(jìn)行了規(guī)定。GB/T 197—2003中對螺紋公差帶的選用原則進(jìn)行了規(guī)定，并明確了螺紋公差帶對應(yīng)螺紋尺寸的基本偏差值及公差范圍。

通過將CPR1000等堆型RPV主螺栓螺紋副螺紋公差帶及螺紋尺寸與上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，認(rèn)為上述標(biāo)準(zhǔn)對主螺栓螺紋副螺紋設(shè)計不完全適用，但在螺紋初步結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以參考。

2.5 對螺紋牙倒圓角的要求

螺紋牙牙底倒圓角形狀和大小對于承受疲勞和沖擊載荷的螺紋緊固件是非常重要的。GB/T 197—2003中對外螺紋的牙底倒圓角形狀和大小進(jìn)行了規(guī)定：外螺紋牙底為單倒圓角結(jié)構(gòu)，牙底倒圓角最小值為0.125P(P為螺距)，倒圓角最大值不得超過螺紋牙底直徑極限值。但該標(biāo)準(zhǔn)對外螺紋牙頂及內(nèi)螺紋牙頂、牙底是否需倒圓沒有規(guī)定。

統(tǒng)一螺紋標(biāo)準(zhǔn)ASME B1.1—2003[13]中規(guī)定UNR外螺紋的牙底應(yīng)是圓滑、連續(xù)不變的輪廓，即單倒圓角結(jié)構(gòu)，倒圓角大小為0.108 253 18P～0.144 337 57P，而外螺紋牙頂可以是部分或全部倒圓，但對牙頂?shù)箞A角的大小沒有明確規(guī)定。對于內(nèi)螺紋，考慮對螺紋器具螺紋牙頂?shù)哪p量有規(guī)定，允許產(chǎn)品牙底被倒圓，但對倒圓角大小未明確規(guī)定。

RCC-M B3252.3[3]中規(guī)定：螺紋牙底倒圓角的半徑不得小于0.076 mm。

上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定均是針對牙底是單倒圓角結(jié)構(gòu)的螺紋，而RPV主螺栓螺紋副螺紋牙的牙底和牙頂均是雙倒圓角結(jié)構(gòu)，因此，上述標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求對主螺栓螺紋副螺紋設(shè)計并不適用。

綜上所述，因RPV主螺栓螺紋副為非標(biāo)螺紋，目前的螺紋標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范要求對主螺栓螺紋副螺紋設(shè)計的適用性有限，因此，需通過對主螺栓螺紋副結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的理論分析、已有的工程經(jīng)驗(yàn)以及借鑒其他堆型的主螺栓螺紋副設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，對新堆型RPV主螺栓螺紋副進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 反應(yīng)堆壓力容器主螺栓螺紋副結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析研究

3.1 對主螺栓螺紋副承載的影響分析

考慮到主螺栓和主螺孔螺紋的最大升角值小于4°[14]，因此軸向載荷作用下的主螺栓螺紋副可簡化為軸對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析?；诖?，本文通過建立CPR1000 RPV主螺栓和容器法蘭軸對稱模型(主螺栓和主螺孔螺紋嚙合長度為209 mm)，并采用通用有限元軟件ANSYS 12.1分析主螺栓螺紋副結(jié)構(gòu)參數(shù)對其承載的影響。

主螺栓和容器法蘭應(yīng)力分析中，均采用單元Plane 82對主螺栓螺紋副軸對稱模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在螺紋部位對網(wǎng)格進(jìn)行了局部細(xì)化，且主螺栓螺紋和主螺孔螺紋的接觸分別采用Conta 172單元和Targe 169單元，螺紋接觸面的滑動摩擦系數(shù)取0.15，泊松比取0.3。邊界條件為：對容器法蘭左側(cè)面施加對稱約束(即UX=0)；對容器法蘭底部施加軸向約束(即UY=0)；同時，在主螺栓端部施加軸向預(yù)緊載荷。

3.1.1 主螺栓螺紋直徑變化對螺紋副承載的影響分析

在CPR1000 RPV主螺栓螺紋副M155 mm×4 mm結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用有限元法分析了主螺栓螺紋直徑變化對螺紋副應(yīng)力分布的影響?？紤]M155 mm×4 mm和M157 mm×4 mm兩種主螺栓螺紋副有限元分析模型，其中圖2為M155 mm×4 mm主螺栓螺紋副有限元分析模型及載荷與邊界條件。在主螺栓上部施加軸向載荷57 MPa，則兩種主螺栓螺紋副的有限元計算結(jié)果如圖3和表1所示。

圖2 M155 mm×4 mm主螺栓螺紋副有限元分析模型及載荷與邊界條件

由表1可以看出，隨著主螺栓螺紋尺寸的增大，主螺栓和主螺孔螺紋部位的最大應(yīng)力以及螺紋應(yīng)力集中系數(shù)均減小。

表1 不同螺紋直徑模型的計算結(jié)果對比

注：主螺栓和主螺孔螺紋的應(yīng)力集中系數(shù)定義為螺紋局部峰值應(yīng)力與主螺栓端部名義應(yīng)力之比值[15]

3.1.2 螺紋牙底倒圓角變化對螺紋副承載的影響

在圖2有限元分析模型的基礎(chǔ)上，保持M155 mm×4 mm主螺孔牙型尺寸不變，主螺栓螺紋牙底倒圓角半徑分別取R0.4 mm,R0.6 mm，R0.8 mm進(jìn)行對比計算，在主螺栓上部施加表面法向載荷10 MPa,其計算結(jié)果如圖4和表2所示。

圖4 不同螺紋牙底倒圓角模型中主螺栓和主螺孔的應(yīng)力分布

由表2可以看出，當(dāng)主螺栓螺紋牙底倒圓角半徑逐漸增大時，其螺紋根部的應(yīng)力強(qiáng)度及應(yīng)力集中系數(shù)均減小。因此，增大主螺栓螺紋牙底倒圓角半徑可以顯著緩解螺紋根部的應(yīng)力集中，提高其疲勞強(qiáng)度。

3.1.3 主螺栓螺紋牙高度對螺紋副承載的影響

在圖2有限元分析模型的基礎(chǔ)上，保持M155 mm×4 mm主螺孔牙型尺寸不變，主螺栓螺紋牙高度(即螺紋大徑與小徑之間的高度)分別取最大值4.907 mm和最小值4.207 mm，在主螺栓上部施加軸向載荷10 MPa，其計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同螺紋牙高度模型的計算結(jié)果對比

由表3可以看出，主螺栓螺紋副螺紋根部的應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)隨螺紋牙高度減小而有所降低，螺紋根部的應(yīng)力集中得以緩解。因螺紋加工采用成型刀具，主螺栓螺紋牙高度越小，其螺紋小徑越大，螺紋根部的應(yīng)力集中程度就越低，因此，主螺栓螺紋牙小徑在滿足RPV密封計算和主螺栓安裝要求的情況下可適當(dāng)取大。

3.1.4 螺距對螺紋副承載的影響分析

建立與圖2相似的有限元模型，采用有限元法分析了螺距變化對主螺栓螺紋副應(yīng)力分布的影響，在主螺栓上部施加軸向載荷10 MPa，其計算結(jié)果如表4所示。

表4 不同螺距模型的計算結(jié)果對比

由表4可以看出，隨著螺距P的增大，主螺栓和主螺孔螺紋部位的應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)均隨之減小。但螺距的增大，會導(dǎo)致主螺栓螺紋小徑變小，會使得主螺栓中間光桿段直徑變小，影響主螺栓中間光桿段受力。

3.2 對主螺栓螺紋副安裝的影響

本文結(jié)合已有堆型的工程經(jīng)驗(yàn)，分析主螺栓螺紋副結(jié)構(gòu)參數(shù)對其安裝的影響。

3.2.1 螺紋配合間隙對主螺栓安裝的影響

若主螺栓螺紋副螺紋配合間隙偏小，會增大主螺栓旋入旋出時的摩擦力矩，易引起主螺栓卡澀現(xiàn)象發(fā)生，而螺距偏小也會使主螺栓螺紋副螺紋配合間隙偏小。根據(jù)國內(nèi)外已發(fā)生的主螺栓卡澀事件經(jīng)驗(yàn)反饋，國外專家推薦主螺栓和主螺孔螺紋單邊配合間隙為0.3～0.5 mm，且拉伸機(jī)廠家建議將RPV主螺栓螺紋副螺距提高到6 mm。

3.2.2 螺紋牙頂和牙底倒圓角對主螺栓安裝的影響

根據(jù)國內(nèi)某機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)反饋，若主螺栓螺紋牙頂?shù)箞A角過小、主螺孔螺紋牙底倒圓角過大，當(dāng)主螺栓螺紋大徑較大且主螺栓中心軸線相對主螺孔中心軸線發(fā)生偏離時，主螺栓螺紋牙頂?shù)箞A角與主螺孔螺紋牙底倒圓角可能會發(fā)生干涉，如圖5所示。這可能導(dǎo)致主螺栓在旋入過程中刮傷主螺孔螺紋牙底，從而產(chǎn)生毛刺、劃傷等，易引起主螺栓發(fā)生卡澀[16]。

圖5 主螺栓螺紋牙頂與主螺孔螺紋牙底倒圓角干涉現(xiàn)象

3.2.3 主螺孔螺紋首扣去除不完整螺紋后殘余凸臺對主螺栓安裝的影響

國內(nèi)某核電站RPV的部分主螺孔在現(xiàn)場去除首扣不完整螺紋后殘余凸臺的高度約為0.3 mm，如圖6所示。以該核電站RPV主螺孔和對應(yīng)主螺栓結(jié)構(gòu)尺寸為例，二者的配合關(guān)系如圖7所示。

圖6 主螺孔螺紋首扣去除不完整螺紋后的殘余凸臺

(a)殘余凸臺高度0.3 mm

(b)殘余凸臺高度0.2 mm

由圖7中可以看出，當(dāng)主螺孔螺紋首扣殘余凸臺高度為0.3 mm時，主螺栓螺紋會與主螺孔殘余凸臺發(fā)生干涉；當(dāng)主螺孔螺紋首扣殘余凸臺高度為0.2 mm時，主螺栓螺紋不會與主螺孔殘余凸臺發(fā)生干涉。因此，主螺孔螺紋殘余凸臺過高，一定程度上會影響到主螺栓的順利入扣和旋入[16]。

3.2.4 螺紋表面粗糙度和清潔度對主螺栓安裝的影響

主螺栓螺紋副螺紋表面粗糙度過大，會直接導(dǎo)致主螺栓與主螺孔螺紋表面摩擦力增大，易引起主螺栓卡澀。另據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)反饋，螺紋表面清潔度不滿足要求將會大大增加主螺栓發(fā)生卡澀、甚至咬死的風(fēng)險[16]。

4 反應(yīng)堆壓力容器主螺栓螺紋副結(jié)構(gòu)驗(yàn)證計算

4.1 主螺栓和主螺孔螺紋配合干涉分析驗(yàn)證

在RPV主螺栓螺紋副基本尺寸以及螺紋牙倒圓角已確定的基礎(chǔ)上，需根據(jù)上述參數(shù)對主螺栓和主螺孔螺紋進(jìn)行配合干涉分析(如圖8所示)，以證明主螺栓和主螺孔螺紋不會發(fā)生螺紋倒圓角干涉現(xiàn)象。

圖8 主螺栓和主螺孔螺紋配合干涉分析圖

4.2 螺紋抗剪切強(qiáng)度校核計算

根據(jù)RCC-M B3238.2[3]，在運(yùn)行和試驗(yàn)工況(除事故工況外)，螺紋平均一次剪切應(yīng)力不大于0.6Sm，螺紋剪切應(yīng)力τ按下式進(jìn)行計算：

(1)

式中τ——螺紋剪切應(yīng)力，MPa；

F——主螺栓最大預(yù)緊力，N；

L——螺紋配合長度，mm；

P——螺距，mm；

h——螺紋剪切厚度，mm；

D1——螺紋剪切直徑，mm。

4.3 螺紋抗擠壓強(qiáng)度校核計算

主螺栓螺紋副螺紋抗擠壓強(qiáng)度采用以下公式[17]校核：

(2)

式中σ——螺紋擠壓強(qiáng)度，MPa；

D2——螺紋接觸寬度的平均直徑，mm；

z——螺紋嚙合扣數(shù)；

l0——螺紋的表面嚙合長度(見圖9)，mm；

α——螺紋牙型角(°)；

Sy——材料的屈服強(qiáng)度，MPa；

n——安全系數(shù)，取n=1.2～1.5。

圖9 RPV主螺栓與主螺孔螺紋連接示意

4.4 螺紋抗彎曲強(qiáng)度校核計算

由于主螺孔材料強(qiáng)度低于主螺栓，所以主螺栓螺紋副螺紋牙抗彎強(qiáng)度校核以主螺孔為對象。主螺栓螺紋副螺紋牙抗彎強(qiáng)度校核公式[17]為：

(3)

式中σb——彎曲應(yīng)力，MPa；

M——彎矩，N·mm；

W——彎曲截面系數(shù)，mm3；

D3——主螺孔螺紋大徑，mm；

D4——主螺孔螺紋中徑，mm；

b——主螺孔螺紋牙根部的厚度，mm；

[σb]——螺紋牙許用彎曲應(yīng)力，MPa，取 [σb]=(1～1.2) [σ]。

在RPV主螺栓螺紋副基本尺寸確定后，需按式(1)～(3)進(jìn)行螺紋抗剪切強(qiáng)度、抗擠壓強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)度校核計算，以證明RPV主螺栓螺紋副螺紋的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

本文結(jié)合國內(nèi)外壓水堆RPV主螺栓螺紋副的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的螺紋設(shè)計要求進(jìn)行梳理研究，分析了主螺栓螺紋副結(jié)構(gòu)參數(shù)對其承載和主螺栓安裝的影響，得到主要結(jié)論如下。

(1)相關(guān)規(guī)范和螺紋標(biāo)準(zhǔn)對RPV主螺栓螺紋副螺紋設(shè)計的適用性有限，RPV主螺栓螺紋副螺紋設(shè)計需在規(guī)范和螺紋標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，參考已有堆型設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計。

(2)RPV主螺栓螺紋牙倒圓角、螺紋牙高度等對主螺栓螺紋副的應(yīng)力分布和應(yīng)力集中系數(shù)影響較大，而螺紋配合間隙、螺紋牙倒圓角、螺紋表面粗糙度等直接會影響到主螺栓的安裝，因此，RPV主螺栓螺紋副結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮上述參數(shù)的影響。

(3)在上述研究成果基礎(chǔ)上，對RPV主螺栓螺紋副的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了驗(yàn)證計算，其包括螺紋配合干涉分析、螺紋副抗剪切強(qiáng)度、抗擠壓強(qiáng)度以及抗彎曲強(qiáng)度校核等，以證明RPV主螺栓螺紋副結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。