乏燃料運輸容器螺栓預緊力矩確定方法

鄭岳山+秦瑋+李云華

【摘 要】根據乏燃料運輸容器的法規及設計要求，對容器蓋螺栓在各工況下所受的載荷進行了分析。并通過合理的工況組合，得出了螺栓所受最大載荷，從而確定了螺栓的預緊力。并通過對扭矩系數的分析，得出了適用于乏燃料運輸容器的預緊扭矩的計算方法。

【關鍵詞】螺栓；預緊力；扭矩系數；乏燃料運輸容器

0 引言

對于乏燃料物運輸容器來說，螺栓連接有可能是其包容系統的薄弱環節。螺栓結構的完整性依賴于其數量、強度以及螺栓預緊力。對于一個特定的容器，其螺栓數量及強度都是確定的。對于螺栓連接來說，其功能是由恰當的螺栓預緊力來保證的。螺栓預緊力的分析及控制會有效提高容器的安全性能。而在實際操作中，控制螺栓的預緊力的直接參數為預緊力矩。可見，確定螺栓預緊力與螺栓預緊力矩之間的關系是保證螺栓實現其預緊功能的重要前提。下文將對螺栓預緊力的分析，以及預緊力矩的確定進行闡述。

1 運輸容器螺栓分析

螺紋連接根本目的是利用螺紋緊固件將被連接件可靠地連接在一起，裝配預緊就是要將螺栓的軸向預緊力控制在適當的范圍。對于實際工程連接中的螺栓，軸向預緊力的最小值是由螺栓結構的連接功能決定的，該最小值必須能滿足在工作過程中符合連接件的功能要求。軸向預緊力的最大是由螺栓結構和被連接件的材料強度決定的，這個最大值必須能夠保證在預緊和工作過程中螺栓結構及被連接件不會發生破壞。恰當的螺栓預緊可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強度，增強連接的緊密性和剛性。

本文以典型結構的運輸容器為研究對象，立式圓柱形筒體，上封頭為平蓋結構，螺栓周向均布于容器蓋并擰入筒體上部法蘭中，容器蓋與筒體間裝有密封圈（見圖1）。此容器的螺栓功能是保證在容器在正常和事故工況下包容性能不被破壞。

從圖中可知，容器蓋與筒體為金屬面直接接觸，當容器蓋承受載荷而有彎曲傾向時，容器蓋與筒會產生相對的轉動。此轉動會對螺栓產生拉力及彎矩，對此拉力和彎矩組合的分析是較為困難的。經研究表明此拉力和彎矩的耦合性不大，分別對拉力及彎矩進行分析可以滿足實際情況的要求。而對此拉力及彎矩的研究表明，在螺栓的設計及分析中應注意以下兩點：

1）增加容器蓋的厚度和剛度能顯著降低螺栓拉力和彎矩的影響。

2）最大拉力通常發生在施加載荷等于預緊力時，所以預緊力必須從關鍵載荷中分別出來，以降低拉力產生的負面效應。

2 螺栓預緊力載荷分析

螺栓分析中應考慮以下幾種載荷：軸向拉力，橫向剪切力，彎矩及扭矩。軸向拉力是螺栓的主應力，幾乎所有載荷及變形都會產生拉應力。其次是螺栓扭矩，主要通過螺栓預緊所產生。橫向剪切力一般通過容器結構保護，可以忽略其作用。在分析螺栓所需預緊力時，主要是考慮螺栓所受的軸向拉力。

乏燃料運輸容器的螺栓軸向載荷應考慮以下五種載荷：

1）密封圈產生的載荷

3）沖擊載荷

根據GB 11806的要求，乏燃料運輸容器需進行9m跌落分析。9m跌落又分為垂直跌落、角跌落及水平跌落等多個姿態。角跌落及水平跌落時部分或全部沖擊載荷轉化為螺栓的橫向剪切載荷，只有當容器垂直姿態跌落時沖擊載荷全部轉化為軸向拉力。在分析沖擊載荷對螺栓產生的最大軸向拉力載荷時，應取容器垂直跌落且容器頂部著地的姿態。此時保守考慮內容物以最大加速度ad沖擊容器蓋（見圖3），容器蓋也以最大加速度ad產生于筒體分離的趨勢。作用在螺栓上的拉力公式為：

4）貫穿載荷

根據GB 11806的要求，乏燃料運輸容器需進行1m貫穿分析。由于1m貫穿的靶件長度為200mm，乏燃料運輸容器端部都設有減震器，減震器有足夠的厚度，所以端部1m貫穿不會使得靶件穿透至容器蓋。由于端部1m貫穿工況的加速度遠小于9m端部跌落工況下的加速度，所以1m貫穿工況產生的沖擊載荷小于9m端部跌落工況下的沖擊載荷。同樣，其它角度貫穿工況產生的沖擊載荷也都小于對應角度9m跌落工況的載荷。由于GB 11806中不要求1m貫穿工況和9m跌落工況疊加，所以在考慮預緊力時可以保守考慮沖擊載荷較大的9m跌落，而不需考慮1m貫穿工況。

5）由溫度變化產生的載荷

螺栓連接處及相關零件受熱不均勻膨脹會對螺栓產生相應的載荷。螺栓連接處的不均勻溫度差、熱膨脹系數差都會引起零件的膨脹差。通常乏燃料運輸容器螺栓連接的零件材質相似或相同且傳熱效果較好，溫度載荷對螺栓的影響不顯著。溫度載荷不會與跌落或貫穿載荷疊加，所以在預緊力的分析中可以將其忽略。

通過上述分析，為了保證乏燃料運輸容器能夠滿足GB11806的要求，螺栓的預緊力Fpre應由密封圈產生的載荷For，壓力產生的載荷Fpress以及9m端部跌落產生的載荷Fd組成，即：

3 螺栓預緊力矩的確定

在螺栓尺寸和預緊力確定的情況下，預緊力矩取決于扭矩系數。可見扭矩系數反映了螺栓軸向預緊力與預緊扭矩的關系，它包括了預緊力矩和預緊力之間關系的一切影響因素。影響扭矩系數的因素有兩個：首先是緊固件的幾何形狀，螺栓相當于一種“螺旋上升平面”，因此幾何形狀影響了整個螺紋連接中力的分布情況；其次是摩擦系數，摩擦系數越低則扭矩轉化為預緊力的比例越高。

獲取扭矩系數有三種方法：

1）查表法，不同接觸表面的參考預緊力矩系數見表1[3]。

2）試驗測定法，根據GB/T1231-2006的規定，按批抽取8套連接副，檢驗并計算其扭矩系數，扭矩系數標準偏差應小于等于0.010。

綜合對比以上三種方法：查表法所得到的扭矩系數往往不夠精確，在工程應用上不予推薦；試驗測定法對于一般的高強螺栓螺母聯接較為適用，對于乏燃料運輸容器這種特殊形式的螺栓法蘭聯接還有待進一步研究；公式法能夠計算出較為保守的扭矩系數，推薦用于確定乏燃料運輸容器的螺栓扭矩系數。

4 結論

通過本文對乏燃料運輸容器螺栓預緊力分析表明，應考慮9米端部跌落、密封圈載荷以及內壓載荷疊加產生的拉力，螺栓最小預緊力應不小于上述拉力組合才能保證螺紋結構的安全性能。確定了預緊力后，應通過公式法進行計算確定扭矩系數。從而得出為保證乏燃料運輸容器螺栓安全性能的預緊扭矩，為容器的安全運行提供了保障。

【參考文獻】

[1]ASME鍋爐和壓力容器規范 附錄E，The American society of Mechanical Engineers，2013.

[2]GB10086 放射性物質安全運輸規程[S].2004.

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2003.

[責任編輯：田吉捷]