柴油機(jī)空冷器連接螺栓斷裂原因分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

曹亮亮，余 浩

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

0 引言

核電應(yīng)急柴油機(jī)用于正常電源和備用電源失效或發(fā)生安注動作時,為需應(yīng)急電源供電的設(shè)備提供可靠的應(yīng)急電源。某核電應(yīng)急柴油機(jī)，18PA6B 型，額定功率5500 kW，額定轉(zhuǎn)速1000 r/min，采用空冷器對增壓空氣進(jìn)行冷卻?？绽淦髦饕尚窘M、側(cè)壁、端蓋等構(gòu)成。罩殼連接螺栓48 個，M12×65 型，10.9 級，抗拉強(qiáng)度1000 MPa；支架長邊螺栓36 個，M12×65型，10.9 級，抗拉強(qiáng)度1000 MPa；本體短邊螺栓10 個，M12×45 型，8.8 級，抗拉強(qiáng)度800 MPa。

1 故障現(xiàn)象

2017 年7 月，某核電廠對照核安全局發(fā)函《關(guān)于2015 年度下半年核電廠建造和調(diào)試質(zhì)量事件與問題的通報》（國核安函【2016】34 號）進(jìn)行自查，檢查發(fā)現(xiàn)該核電廠應(yīng)急柴油機(jī)部分空冷器連接螺栓存在與函件中相同的斷裂問題，斷裂螺栓見圖1。對該斷裂螺栓進(jìn)行材料分析、金相檢驗(yàn)、硬度測試，并對斷裂螺栓進(jìn)行宏觀分析和掃描電鏡斷口分析。結(jié)合使用工況，分析判斷螺栓斷裂的直接原因?yàn)樵谑褂眠^程中遭受了過大的不均勻的脈動負(fù)荷作用而疲勞斷裂。

2 原因分析

2.1 安裝記錄核查

查閱安裝記錄，操作人員未按照規(guī)程要求在螺紋外表面均勻涂抹螺紋鎖固劑，一段時間后，部分螺栓先行發(fā)生松動，柴油機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的動應(yīng)力被放大，該部分螺栓可能先行產(chǎn)生疲勞損傷，當(dāng)疲勞區(qū)域擴(kuò)展至一定程度時，該部分螺栓將發(fā)生疲勞斷裂，柴油機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的動應(yīng)力被進(jìn)一步放大，從而引發(fā)其他螺栓發(fā)生快速疲勞斷裂。

圖1 斷裂螺栓

2.2 防松設(shè)計分析

查閱備件手冊，罩殼連接螺栓和支架連接螺栓未設(shè)計防松措施，一段時間后，部分螺栓先行發(fā)生松動，柴油機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的動應(yīng)力被放大，該部分螺栓可能先行產(chǎn)生疲勞損傷，當(dāng)疲勞區(qū)域擴(kuò)展至一定程度時，該部分螺栓將發(fā)生疲勞斷裂，柴油機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的動應(yīng)力被進(jìn)一步放大，從而引發(fā)其他螺栓發(fā)生快速的疲勞斷裂。

2.3 螺栓強(qiáng)度計算

2.3.1 計算模型

（1）整體模型。根據(jù)圖紙，利用Solid Works 建立簡化模型后導(dǎo)入ANSYS，采用beam 單元構(gòu)建螺栓模型，采用pipe單元構(gòu)建銅管模型，分片處理后劃分網(wǎng)格，有限元模型見圖2，空冷器與罩殼、支架之間選用摩擦接觸，摩擦因數(shù)設(shè)定為0.12，構(gòu)件材料力學(xué)特性見表1，其中銅管折算質(zhì)量包含管中水的質(zhì)量。

圖2 空冷器有限元模型

表1 空冷器構(gòu)件材料力學(xué)特性

（2）螺栓模型。查閱《機(jī)械設(shè)計》，有效直徑取10.36 mm，罩殼連接螺栓彈性模量取E1=2.1×105MPa，長邊支架連接螺栓彈性模量取E2=2.0×105MPa，短邊支架連接螺栓彈性模量取E2=2.0×105MPa。

2.3.2 模態(tài)分析

將銅管和水的質(zhì)量折算至空冷器外殼，底面采用“fix”邊界條件，一階固有頻率67.176 Hz、二階固有頻率87.076 Hz、三階固有頻率97.401 Hz，一、二、三階振型分別見圖3、圖4、圖5。

圖3 一階振型

圖4 二階振型

圖5 三階振型

2.3.3 載荷說明

計算載荷包括熱負(fù)荷、重力載荷、預(yù)緊力、地震加速度載荷、氣體壓力和膨脹節(jié)反作用力。

（1）熱負(fù)荷。實(shí)測空冷器溫度分布，對空冷器側(cè)面進(jìn)行片狀切割，溫度依照實(shí)測結(jié)果設(shè)定。

（2）重力載荷。重力載荷按重力加速度9.8 m/s2施加。

（3）預(yù)緊力。預(yù)緊力按照柴油機(jī)運(yùn)行和維修手冊取值。

（4）地震加速度載荷。根據(jù)模態(tài)分析，空冷器一階共振頻率為67 Hz，查閱柴油機(jī)質(zhì)心反應(yīng)譜，在地震作用下，X，Y，Z 等3個方向的零周期加速度分別為0.32 g、0.42 g 和0.34 g，水平方向的組合加速度為0.528 g。柴油機(jī)運(yùn)行過程中，實(shí)測空冷器處加速度值為2.8 g。

為進(jìn)一步考慮地震的作用，計算時，在空冷器模型的水平方向施加5 g 的加速度，在空冷器模型的Z 方向施加4 g 的加速度。

（5）氣體壓力。空氣施加在空冷器內(nèi)側(cè)表面的氣體壓力為230 kPa。

（6）膨脹節(jié)反作用力。當(dāng)柴油機(jī)發(fā)生位移變形時，空冷器端蓋安裝的膨脹節(jié)將對空冷器施加反作用力。

查閱膨脹節(jié)設(shè)計計算書，軸向剛度Kx=172.12 N/mm，軸向位移量Dx=2mm，橫向剛度Ky=1582 N/mm，橫向位移量Dy=1mm，依據(jù)公式（1）公式（2）計算軸向反力最大值Fx和橫向反力最大值Fy。

根據(jù)膨脹節(jié)安裝位置和數(shù)量，依據(jù)公式（3）公式（4）計算膨脹節(jié)對空冷器正面施加的作用力F1和對空冷器側(cè)面施加的作用力F2。

2.3.4 靜力校核

靜力校核時，模型底面采用“fix”邊界條件。預(yù)緊力矩取T=70 N·m，查閱《機(jī)械設(shè)計》，依據(jù)公式（5）計算連接部分受到的預(yù)緊力F0。

式中：T 為螺栓預(yù)緊力；D 為螺紋直徑。設(shè)定螺栓連接處工作載荷力為Fn，查閱《機(jī)械設(shè)計》，螺栓相對剛度取λ=0.25，依據(jù)公式（6）公式（7）計算螺栓軸向載荷力Fn＇和螺栓總軸向力Fz。

查閱《機(jī)械設(shè)計》，M12 型螺栓有效面積取Seq=84.25 mm2，依據(jù)公式（8）公式（9）計算螺栓所受拉應(yīng)力ft和切應(yīng)力fv。

式中：f 為空冷器與罩殼、支架之間的摩擦系數(shù)，取0.12。查閱《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》，依據(jù)公式（10）進(jìn)行螺栓靜態(tài)校核。

式中：Ft為許用拉應(yīng)力，F(xiàn)t=0.58 Su；Fv為許用剪應(yīng)力，F(xiàn)v=0.24 Su；Su 為螺栓的抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)ANSYS 計算結(jié)果，提取螺栓所受拉力和剪切力，依據(jù)公式（5）公式（10）對螺栓進(jìn)行靜態(tài)校核，結(jié)果表明螺栓均滿足《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》中靜態(tài)校核準(zhǔn)則。

2.3.5 疲勞安全性校核

查閱《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》，依據(jù)公式（11）進(jìn)行螺栓疲勞強(qiáng)度校核。

式中：n 為計算安全系數(shù)；[n]為許用安全系數(shù)，取[n]=1.21；σ-1為材料對稱循環(huán)疲勞極限，依據(jù)公式（12）計算；Ψσ應(yīng)力折算系數(shù)，取Ψσ=0.25；Kσ為疲勞極限綜合影響系數(shù)，依據(jù)公式（13）計算；σα為循環(huán)拉應(yīng)力的應(yīng)力幅；σmin為最小應(yīng)力。

式中：σs為抗拉強(qiáng)度極限值；σb為屈服強(qiáng)度極限值。

式中，Kσ為有效應(yīng)力集中系數(shù)，取Kσ=5.2；εσ為尺寸系數(shù)，取εσ=1；βσ為表面質(zhì)量系數(shù)，取βσ=0.9；βq為強(qiáng)化系數(shù)，取βq=2。

依據(jù)式（11）和式（13）對螺栓進(jìn)行疲勞安全性校核，結(jié)果表明數(shù)個支架連接螺栓計算安全系數(shù)小于許用安全系數(shù)，即不滿足《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》中疲勞安全性校核準(zhǔn)則。

2.3.6 問題原因

校核結(jié)果表明，依據(jù)《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》，螺栓靜應(yīng)力滿足使用要求，其在工作中存在較大的熱應(yīng)力，但數(shù)個螺栓計算疲勞安全系數(shù)小于安全值，故螺栓斷裂原因?yàn)楦哽o應(yīng)力下的疲勞斷裂。

3 改進(jìn)措施

3.1 安裝工藝優(yōu)化方案

針對安裝過程中操作人員未按規(guī)程要求在螺紋外表面均勻涂抹螺紋鎖固劑問題，對安裝工藝進(jìn)行優(yōu)化，將規(guī)程相關(guān)要求納入安裝工藝要求，同時對涂抹螺紋鎖固劑的使用量、要求等重要工序做出提示并選取質(zhì)量見證點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。

3.2 防松設(shè)計新增方案

針對罩殼連接螺栓和支架連接螺栓未設(shè)計防松措施問題，新增防松設(shè)計，即在螺栓頭部下方加裝洛帝牢防松墊圈，該墊圈采用楔入的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行鎖緊，由一對咬合角度大于螺紋升角的墊圈相互咬合構(gòu)成，能有效阻止螺栓松動。

3.3 螺栓改進(jìn)方案

針對數(shù)個罩殼連接螺栓和支架連接螺栓計算疲勞安全系數(shù)小于安全值的問題，對螺栓進(jìn)行換型優(yōu)化，即改用M14 型42CrMoA 超高強(qiáng)度鋼螺栓，其最小抗拉強(qiáng)度為980 MPa，屈服強(qiáng)度為882 MPa。

3.3.1 靜力校核

根據(jù)改進(jìn)方案，對螺栓模型進(jìn)行修改，有效直徑取12.12 mm，保持其他載荷不變，利用ANSYS 對換型后螺栓受力進(jìn)行計算，螺栓預(yù)緊力矩取T=120 N·m，螺栓有效面積取Seq=115.37 mm2，對換型后的螺栓進(jìn)行靜力校核，結(jié)果表明改進(jìn)方案滿足《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》中靜態(tài)校核準(zhǔn)則。

3.3.2 疲勞安全性校核

根據(jù)改進(jìn)方案，查閱《機(jī)械設(shè)計》，有效應(yīng)力集中系數(shù)取Kσ=5.3，屈服強(qiáng)度極限值取σb=980 MPa，抗拉強(qiáng)度極限值取σs=882 MPa，對換型后的螺栓進(jìn)行疲勞安全性校核，結(jié)果表明改進(jìn)方案滿足《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》中疲勞安全性校核準(zhǔn)則。

4 結(jié)果驗(yàn)證

截至2019 年11 月，該柴油機(jī)已啟動60 余次、累積運(yùn)行近50 h，復(fù)查未發(fā)現(xiàn)罩殼連接螺栓或支架連接螺栓斷裂問題。

5 結(jié)語

通過經(jīng)驗(yàn)反饋?zhàn)圆?提前發(fā)現(xiàn)了核電廠應(yīng)急柴油機(jī)空冷器連接螺栓斷裂問題，通過優(yōu)化安裝工藝、新增防松設(shè)計和換型螺栓等處理措施，從根本上解決了該型核電應(yīng)急柴油機(jī)空冷器連接螺栓斷裂問題，實(shí)踐證明了優(yōu)化安裝工藝、新增防松設(shè)計和換型螺栓等處理措施的可行性，可以為核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。