核電輔助設備螺栓緊固力矩的研究與應用

劉 偉，蔣仕錦，涂德鵬

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518124）

核電輔助設備螺栓緊固力矩的研究與應用

劉 偉，蔣仕錦，涂德鵬

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518124）

核電站輔助設備中使用了大量螺栓作為緊固件，安裝時，需提供螺栓緊固力矩的數值。螺栓連接分為一般連接形式和有密封要求的連接形式，根據不同的連接形式，推導和整理了一般連接形式下螺栓的緊固力矩計算公式。同時，對具有密封要求的螺栓連接，也給出了墊片受壓時螺栓的緊固力矩公式，為螺栓緊固力矩的計算，提供了一種簡便可靠的方法。

核電；設備；螺栓；連接；墊片；緊固力矩；公式；推導

0 概 述

在核電機組中，很多設備是通過螺栓實現連接。螺栓的連接主要有兩種形式，一種是通過螺栓實現不同零部件的結合，主要靠螺栓材料的強度實現連接的穩定性；另一種則主要應用于密封面的連接，通過螺栓穿過法蘭蓋壓迫墊片實現密封連接。螺栓連接是僅次于焊接的連接方式，螺栓的連接質量主要通過螺栓的材質和緊固螺栓所采用的力矩得以保證。在某核電站輔助設備的安裝中，曾出現過多次螺栓連接失效的情況，如力矩過大導致螺栓斷裂，造成已斷裂的螺栓難以取出；或者因螺栓松動，螺栓從連接件中脫出，砸壞其它重要設備，還曾有比較復雜的情況，如螺栓力矩過大導致密封墊片被壓散、螺栓爛牙等案例。因此，確定螺栓的緊固力矩，對核電工程的實際施工很有必要。

1 螺栓連接的受力方式

根據螺栓的連接形式及螺栓的受力情況，主要可分為三種受力方式。

（1）純軸向力，即螺栓僅在軸向受力。

（2）純橫向力，即螺栓在徑向受力。

（3）螺栓在軸向、徑向均受力。

在第1、2種情況下，螺栓連接的穩定性是依靠螺栓本身的性能（材質和尺寸），與緊固力矩無關。第3種螺栓受力狀況，是工程應用中的普遍情況，螺栓既受拉應力又受剪應力。現僅討論第3種受力的螺栓連接情況。

考慮到工程中螺栓連接的失效情況，螺栓的緊固力矩需考慮到螺栓本體的強度，即不允許發生因緊固力矩過大，導致螺栓的屈服破壞而喪失連接性能的情況。也不能因過大的緊固力矩，而導致螺紋發生脫扣的情況。根據被連接件的材料強度，不能因為過大的緊固力矩，而使被連接件受到破壞。連接件特指密封墊片（不包括法蘭），應確保墊片材料的密封性能。緊固力矩過小導致泄漏，力矩過大則墊片被壓死或被壓散。

現將第1種形式的緊固力矩定義為螺栓一般連接形式的緊固力矩（常用結構件、常溫狀態），將第2、3種緊固力矩定義為密封連接形式（人孔門、非常溫）的緊固力矩。

2 螺栓預緊力與緊固力矩的關系

螺栓要實現對被連接件的緊固，需要對螺栓施加緊固力矩。在緊固過程中，螺栓的緊固力矩T需要克服螺紋副的阻力矩T1及螺帽與被連接件的端面的摩擦力矩T2：

式（1）中：d—螺栓公稱直徑；

d2—螺紋中徑；

θ—螺紋升角，θ=anctan［np/πd2］；

μ—螺母（或螺帽）與被連接件的摩擦系數；

ρν—螺紋副當量摩擦角；

dw—與支撐面連接的螺母或者墊圈的直徑；

d0—承壓面內直徑；

F0—螺栓預緊力。

其中：K=tan（θ＋ρν）

由式（1）可知，在螺栓直徑已定的情況下，螺栓緊固力矩正比于預緊力，其比例系數就是緊固系數K。

緊固系數K的選取比較復雜，難以得到正確值，一般在0.1～0.3，表1為參考值［1］。在工程應用中，K值一般取0.2。

表1緊固系數參考值

3 一般連接形式的緊固力矩

式（2）中：σca—螺栓所受應力，MPa；

［σ］—螺栓的許用應力，MPa；

σs—螺栓材料的屈服強度，MPa；

AS—螺栓應力截面積，mm；表示為π（d1＋d2）2

螺栓被緊固后，受到軸向拉應力和圓周方向的剪應力。根據經驗公式，對螺栓的破壞應力一般取螺栓受到拉應力的1.3倍［2］，故：16

d1—螺栓底徑，mm；

d2—螺栓中徑，mm；

t—安全因子，對于碳素鋼螺栓t可以取0.6～0.7［1］，對于合金鋼螺栓t可以取0.5～0.6［2］。

鑒于在工程中螺栓的公稱直徑d是較易獲取的信息，且考慮螺紋高度相對于螺栓直徑較小。所以，將式（2）變更為：

式（3）中：

結合式（1）、式（3），可得出螺栓允許的緊固力矩與螺栓屈服強度之間的關系：

取π=3.14，K=0.2，則式（4）可簡化為：

實際工程計算中，安全因子t一般取0.6，因此，式（5）可進一步簡化為：

根據國家標準，規定螺栓緊固件按機械性能分級，共分為十級［3］，螺栓的級數標識為：

3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9

在獲取螺栓的機械等級及螺栓直徑后，利用式（6），即可得到一般連接形式螺栓的緊固力矩。

4 密封形式的緊固力矩

在核電輔助設備中，許多密封面均需用螺栓進行連接，如蒸發器（MSR）本體、疏水箱人孔門，凝汽器接頸、熱井人孔門，疏水擴容器人孔門等。這些密封連接，是通過緊固螺栓壓迫墊片實現的密封連接。核電輔助設備人孔門的密封連接，主要采用了4種墊片，分別是金屬纏繞石墨墊片、石墨復合墊片、夾布橡膠墊片、非石棉橡膠墊片。這些墊片的材料及特性各不相同，能承受的工況溫度也不相同，有些墊片能承受高達200℃的工況溫度。所以，螺栓的許用應力，不能簡單地采用安全系數乘以螺栓的機械屈服強度進行計算。這些影響因素的變化，使密封面緊固力矩的精確計算變得較為復雜。

4.1 墊片

4.1.1 墊片特性參數

密封連接需通過墊片實現，不同場合使用的墊片具有相異的特性參數。墊片預緊比壓力y與墊片系數m，是影響墊片密封效果的主要特性參數。預緊比壓力y是作用在墊片上的單位密封面積壓緊力，使墊片發生彈性變形，且足以填補密封面上的細微不平，是密封連接時不產生泄漏的最小數值。

預緊比壓力的計算公式為：

式（7）中：P—墊片的有效壓緊力；

A—墊片有效面積。

不同種類的墊片具有不同的y值，這個y值與工作壓力無關，即使工作壓力很低，墊片的y值也不變。

當密封面內的介質壓力升至操作壓力（即工況壓力）時，因內壓產生的軸向力作用，趨于將兩片密封面兩側的法蘭（或密封蓋板）分開。于是，作用在墊片上的緊固力減少。當墊片的有效截面上的緊固壓力為某一臨界值時，仍能保持密封狀態，此時，作用在墊片上的剩余緊固力即為有效緊固壓力。如小于該臨界值時，密封就被破壞，甚至將墊片吹損而發生泄漏。為了保持密封連接的可靠性，墊片的有效緊固力，必須超過密封面處的操作壓力的m倍，計算公式為：

式（8）中：m—墊片系數；

P—墊片的有效壓緊力；

P1—密封面處的操作壓力。

墊片系數m值及預緊比壓y值，都是墊片的特性參數，其值因墊片的材質而異。目前，核電輔助設備常用的密封墊片特性參數，如表2所示。

表2常用密封墊片的特性參數

如果墊片在螺栓預緊時承受了過大的壓緊力，將被壓縮成塑性變形而失去回彈能力。因此，在預緊時，既要將墊片壓緊，使其單位有效密封面積上的壓緊力不小于y值，還不能讓壓緊力過大，以防止墊片被壓縮成塑性變形。對于平面密封連接，為防止墊片被壓縮成塑性變形，應控制墊片的預緊壓緊力不大于4y。

4.1.2 墊片的尺寸參數

根據墊片尺寸，確定墊片接觸寬度N和基本密封寬度b0，計算出墊片的有效密封寬度b。

壓緊面形狀（簡圖） 墊片基本密封寬度b 0N 2

當b0≤6.4mm時，

確定墊片壓緊力作用的中心圓直徑Dg：

當b0≤6.4mm時，Dg等于墊片接觸的平均直徑；

當b0＞6.4mm時，Dg等于墊片接觸的外徑減去2b。

4.2 螺栓受力

4.2.1 螺栓載荷

螺栓受力可分為密封面預緊狀態與工況下的受

當b0＞6.4mm時，力狀態，對應的密封面螺栓載荷，可按式（11）、式（12）進行計算：

（1）預緊狀態下需要的螺栓最小載荷

（2）工況狀態下需要的最小螺栓載荷

4.2.2 螺栓面積

螺栓面積的計算，按式（13）確定。

螺栓需要面積：

［σ］t—設計溫度下的螺栓許用應力。

螺栓實際面積：

AS—螺栓應力截面積，為0.785（d-0.9832p）2［4］，d是螺栓公稱直徑，p為螺栓螺距；

Z—密封面螺栓個數。

4.2.3 螺栓緊固力矩

螺栓設計預緊載荷：

根據式（1）可得出，密封面上相應每根螺栓的預緊緊固力矩

K—緊固系數，一般取0.2；

Z—密封面上螺栓的個數；

d—螺栓公稱直徑，mm；

t—力矩安全系數，一般取1.2～1.3。

5 結 語

根據螺栓機械性能等級和螺栓螺紋公稱直徑，從已有公式進行總結分析，推導一般連接形式下螺栓緊固力矩的簡易公式。同時，根據密封面形式下的螺栓特性（許用應力、公稱直徑、螺距）和墊片特性參數（預緊比壓力，墊片系數、尺寸參數），整理推導了密封面形式下的緊固力矩，為核電設備的安裝，提供便捷的計算方法。

［1］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［2］邱宣懷.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，1997.

［3］GB/T3098.1-2010.緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱［S］.

［4］GB/T16823.1-1997.螺紋緊固件應力截面積和承載面積［S］.

簡訊

俄將在北極建30座移動式核電站

據俄羅斯RT新聞網報道，俄羅斯軍方正在加速推動在北極建設移動式核電站的研究進程。俄已下令開展小型移動式核電站的試運行計劃，實驗用的核電站將搭載在KAMAZ或MAZ重卡，或運輸用的雪橇上被運往北極地區的目的地。據悉，第一座移動式核電站有望于2020年建成。

報道稱，如果軍方認可前期試運行的結果，預計為期兩年的完整實驗即將投入運行。完整實驗結束后，移動式核電站的原型機即將成型。原型機可能在未來4～5年之內面世，量產的計劃屆時也將準備就緒。據悉，俄羅斯軍方希望能在極北地區和北極諸島部署30座以上的移動式核電站。

據悉，除了正在進行的移動式核電站的研究項目，俄羅斯軍方還在推進漂浮式核電站的使用研究。第一座漂浮式核電站將于2016年10月在北極地區投入使用。

首臺高溫堆核電項目反應堆壓力容器水壓試驗圓滿成功

在華能山東石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程中，首臺反應堆壓力容器設備的水壓試驗，在上海電氣核電設備有限公司獲得圓滿成功。經檢查，各項數據均符合規范要求，外表面目視檢查無變形、無滲漏和漏滴情況發生。國家核安全局北方站等各方人員共同見證，一致認為結果合格。

反應堆壓力容器是組成反應堆一回路的關鍵主設備，水壓試驗是檢驗其整體強度、密封性和主焊縫質量的重要試驗和關鍵工序。反應堆壓力容器設備水壓試驗的一次成功，標志著首臺高溫堆的核島關鍵設備，經過獨立研發、自主創新后，已完全實現國產化，達到了世界先進水平力。

摘自上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠技術部《信息簡訊》第205期

ResearchandApplicationofNuclearPowerAuxiliary EquipmentTighteningTorque

LIUWei，JIANGShi-jin，TUDe-peng
（ChinaNuclearPowerEngineeringCompanyCo.，Ltd.，Shenzhen518124，Guangdong，China）

ThereisalargenumberofboltsinnuclearpowerplantTGauxiliaryequipmentasfasteners.Numerical valuesofcorrespondingfasteningtorqueareoftenrequiredininstalling.Theboltconnectionisnormallydividedinto thenormalconnectionandtheconnectionwithsealrequirement.Thispaperanalyzesthesetwocases，including generalconnectionformandsealsurfaceform，oftighteningtorque，derivingtheformulaoffasteningtorque correspondingshimandbolt.Asimpleandreliablemethodisalsoprovidedforbolttighteningtorque.

nuclearpower；equipment；bolt；connection；cashier；tighteningtorque；formula；deriving

TL353+.13

：A

1672-0210(2015)04-0001-04

2015-09-30

：2015-10-23

劉偉（1985-），男，工程師，碩士研究生，畢業于華中科技大學，從事核電機組設備方面的項目管理工作。