基于金属与金属接触的蒸汽发生器螺栓预紧载荷研究

汤臣杭，何劲松，余 平，周 永

(中国核动力研究设计院，四川成都 610041)

0 引言

压水堆核电厂中，由于安装、检修、在役检查等需要，蒸汽发生器设有人孔、手孔和检查孔等开孔结构，这些开孔的密封方式通常采用螺栓－法兰密封。

常用的螺栓法兰密封结构有两种类型:一种是金属与金属不接触或浮动型螺栓法兰接头;另一种是金属与金属接触型的法兰接头。相比于前者，金属与金属接触型的法兰接头主要特点是将垫片压缩到预定的厚度后，继续追加螺栓载荷直到盖板与法兰相互接触。因此，当存在介质压力和温度波动时，垫片上的密封载荷不发生改变，使整个密封结构保持在最佳的泄漏控制状态，同时螺栓也不承受循环载荷，减少了发生疲劳或松脱的危险［1］。

由于核电厂的特殊性，对密封结构要求十分严格，不允许出现任何泄漏，目前国内蒸汽发生器开孔密封通常采用金属与金属接触型的密封结构，垫片采用膨胀石墨垫。典型的密封结构如图1所示。

图1 典型的密封结构示意

在螺栓－法兰密封结构中，螺栓预紧力的控制是保证整个密封结构可靠性的重要条件。文中分析比较了传统方法中螺栓预紧力的确定方法，并基于金属与金属接触的密封机理，对蒸汽发生器密封结构螺栓载荷的确定进行了探讨;同时，结合有限元分析方法，研究了螺栓载荷与螺栓伸长量的关系，给出了蒸汽发生器密封结构螺栓伸长量的确定方法。

1 螺栓预紧载荷的确定

1.1 传统的螺栓载荷确定方法

针对核设备设计，ASME规范第Ⅲ卷附录E［2］规定螺栓载荷必须满足预紧工况下预紧力Wm2和操作工况下预紧力Wm1，并取两者中的大值。其中Wm1和Wm2可根据下式进行计算:

式中 H——作用于垫片反力直径所限定的区域上内压所产生的作用力，N

Hp——能保证密封的压紧载荷，N

P——设计压力或水压试验压力，MPa

G——垫片压紧力作用中心圆直径，mm，G=D－2b

D——垫片外径，mm

b——垫片有效密封宽度，mm

m——垫片系数

y——垫片比压，MPa

根据式(1)，(2)确定的螺栓预紧载荷为所需要的最小螺栓载荷，而螺栓载荷的上限应确保螺栓及密封结构应力不超过其应力限值。实际的螺栓载荷通常根据所计算的螺栓载荷的上、下限并结合工程经验确定［3］。

针对核设备设计，在 RCC－M规范［4］附录ZV中对螺栓预紧力的规定如下:螺栓预紧载荷必须满足设备承受压力之前的密封垫片压紧力Fj和保证密封所需要的载荷FSO的要求，并取两者中的大值。其中密封垫片压紧力Fj取决于垫片本身特性，保证密封所需要的力FSO可按下式进行计算:

式中 Ec——室温下螺栓的弹性模量，MPa

Eh——工作温度下螺栓的弹性模量，MPa

FF(P)——在压力作用下使密封结构趋于分开的作用力，N

FM(P)——在压力作用下保证密封所需要的力，N

比较RCC－M规范和ASME标准，两者对螺栓预紧力的计算方法基本类似。RCC－M规范中规定的垫片压紧力Fj与ASME标准中规定的预紧工况下所需要的预紧力Wm2类似，该值取决于垫片本身特性，其目的是确保垫片充分压紧。RCC－M规范中规定的保证密封所需要的载荷FSO与ASME标准中规定操作工况下的预紧力Wm1类似，不同的是，RCC－M规范中未引进垫片系数的概念，对于压力作用下保证密封所需要的力FM(P)的计算未明确规定，另外，RCC－M规范考虑了不同温度下、螺栓弹性模量不同对螺栓载荷计算的影响。

针对采用膨胀石墨垫片的蒸汽发生器密封结构，ASME标准第Ⅲ卷附录E未明确给出该种类型垫片的垫片系数。RCC－M规范中，也未明确给出膨胀石墨垫片在压力作用下保证密封所需要的力FM(P)的计算方法。因此，直接使用以上两种标准计算蒸汽发生器螺栓预紧力均存在一定困难。

1.2 金属与金属接触的密封结构螺栓载荷确定方法

蒸汽发生器采用的膨胀石墨垫片主要由3部分组成:固定环、膨胀石墨和内环(见图2)。固定环起到限制石墨压缩的作用;内环限制石墨的流动;膨胀石墨作为密封元件，起到密封的作用。

图2 膨胀石墨垫片结构示意

在施加初始预紧力时，密封面首先与石墨环接触，此时仅石墨环受力，继续施加预紧力时，石墨受到压缩直至固定环与密封面接触，从而达到金属与金属接触的状态，如图3所示［5－6］。此时石墨环达到预计的压缩量，已经有足够的致密性可起到密封作用。但在操作工况下，由于内压的作用，会导致密封垫片上的作用力降低，因此需施加额外的预紧力以抵消内压的作用，确保在操作工况时始终保持在金属与金属接触的状态。在螺栓预紧时，施加的额外作用力同时作用在固定环和石墨环上，但由于石墨和金属弹性模型相差巨大，额外预紧力基本上作用在固定环上。因此，金属与金属接触的密封结构，只有一部分预紧力作用到石墨环上，额外的螺栓载荷作用在金属环上，用以补偿内压导致的石墨环上作用力的降低，确保始终处于金属与金属接触状态。

图3 金属与金属接触示意

对于金属与金属接触的密封结构，根据其密封机理，在内压作用下，为保持密封效果，应使密封结构始终保持在金属与金属接触的状态。因此螺栓预紧力在克服内压作用下使密封结构趋于分开的作用力FF(P)之后，还应确保作用在垫片上的力能够保持金属与金属接触状态。

蒸汽发生器所采用的膨胀石墨垫片其中一个重要特性参数为金属与金属接触时的垫片应力，达到该应力水平所需的压紧载荷R可通过试验获得。

对于膨胀石墨垫片，当垫片产生相同的压缩量达到金属与金属接触时，垫片应力随着温度的升高而降低，但变化较小［4］，即达到金属与金属接触所需压紧载荷是随温度升高而降低的。因此，根据室温条件下垫片达到金属与金属接触时的压紧载荷计算所需要的螺栓预紧力是一种偏保守的考虑。保证密封所需要的力FSO可按下式进行计算:

式中 FF(P)——在内压作用下使密封结构趋于分开的作用力，N

R——室温下金属与金属接触时垫片的压紧载荷，N

2 螺栓伸长量的确定

螺栓预紧力的精确控制是保证密封效果的重要因素，因此蒸汽发生器密封结构通常采用液压螺栓拉伸机施加螺栓预紧力。这种方法相比力矩法和螺母转角法，具有操作简单、预紧效率高、预紧精度高等优点［7－8］。

明确螺栓预紧力后，需要根据预紧力值计算对应的螺栓伸长量以便实施预紧力控制。蒸汽发生器人孔螺栓预紧时，有3部分参与伸长，如图4所示。

图4 螺栓伸长连接计算示意

根据虎克定律［9］，在螺栓材料的弹性范围内，伸长量和载荷成正比关系，螺栓伸长量可用下式进行计算:

式中 FSO——螺栓预紧力，N

E——螺栓弹性模量，MPa

L1——螺栓与法兰啮合部分的有效拉伸长度，mm

L2——螺栓光杆部分的有效拉伸长度，mm

L3——螺栓与螺母啮合部分的有效拉伸长度，mm

A1，A2，A3——对应的应力截面积，mm2

由于螺栓光杆部分全部参与螺栓拉伸，因此螺栓光杆部分的有效拉伸长度L2即为螺栓光杆本身的长度。螺栓与法兰、螺母啮合部分的有效拉伸长度L1和L3，由于存在螺纹啮合，并非所有啮合范围的长度均为螺栓有效拉伸长度，螺纹啮合部分的有效拉伸长度的计算通常需要根据经验值确定。

另外，也可通过试验的方法，进行预紧力与伸长量的标定，通过标定曲线计算螺栓伸长量。采用试验方法进行螺栓预紧力和伸长量的标定需针对每一个特定结构进行试验，成本较高。文中通过有限元方法，建立法兰、螺栓和螺母模型，获得螺栓载荷—伸长量关系曲线，以确定给定载荷条件下的所需螺栓伸长量。

3 螺栓预紧的有限元模拟

3.1 计算模型

针对蒸汽发生器一次侧人孔密封结构进行有限元分析，取其中一根螺栓作为分析对象，对不参与拉伸的部分进行适当简化，建立法兰－螺栓－螺母连接系统的二维模型，有限元模型几何结构如图5所示。

预紧工况下螺栓受的载荷为单向拉伸载荷，载荷加载于螺母的下表面，文中分析采用位移控制载荷。法兰下端面约束轴向自由度。螺栓部分采用Plane 183单元，螺纹之间采用面对面的接触单元Targe 169和Conta 172，并假设初始状态为每对螺纹间刚好接触，网格划分如图6所示。

图5 蒸汽发生器一次侧人孔密封结构有限元模型几何结构

图6 法兰－螺栓－螺母连接网格划分示意

3.2 螺栓载荷与螺栓伸长量关系

通过有限元计算，可获得不同载荷条件下，螺栓上下端面在竖直方向的位移差，该差值即为螺栓伸长量。同时，可分别获得每一个螺栓伸长量对应的螺栓光杆部分横截面的应力，应力与螺栓载荷的换算可通过下式进行:

式中 A——螺栓光杆部分截面积，mm2

σ——光杆部分横截面的应力，MPa

通过上述处理，可获得蒸汽发生器一次侧人孔螺栓载荷—伸长量曲线图，如图7所示。可以看出，螺栓预紧力与伸长量呈线性关系，说明螺栓在弹性范围内。

图7 蒸发器一次侧人孔螺栓载荷—伸长量曲线

3.3 计算结果分析

蒸汽发生器一次侧人孔密封结构主要参数和工况参数如表1所示。

表1 结构参数和工况参数

根据式(4)可确定所需要的螺栓载荷，根据螺栓载荷—伸长量曲线图(见图7)可确定所需要的螺栓伸长量。根据文中计算方法获得的蒸汽发生器一次侧人孔所需要的螺栓伸长量和核电工程中实际控制的螺栓伸长量比较见表2。

表2 螺栓伸长量计算比较

从表2可以看出，工程中实际控制蒸汽发生器一次侧人孔的最小螺栓伸长量较本文计算结果大11.6%。由于采用测量螺栓伸长量的方法用于螺栓在弹性范围内的预紧力控制时，误差在3% ～5%［10］，因此实际控制螺栓伸长量时，需基于理论计算值考虑一定裕量。从表2的比较可知，文中关于蒸汽发生器螺栓伸长量的计算结果与工程实际使用值符合较好。

4 结语

(1)分析比较了ASME标准和RCC－M规范中关于螺栓－法兰连接结构螺栓预紧力确定方法的差异。两种标准中均给出了预紧力的确定方法，但均需结合特定的垫片性能参数进行计算。

(2)基于金属与金属接触的密封机理，结合ASME和RCC－M规范，提出了核电站蒸汽发生器密封结构螺栓预紧力的确定方法。

(3)通过ANSYS有限元分析计算，建立螺栓载荷—伸长量曲线，给出了螺栓伸长量确定的方法，对于提高螺栓设计的可维修性有着一定的意义。计算结果表明，文中计算方法与工程实际使用值符合较好。

［1］Eberhard Roos，Hans Kockelmann，Rolf Hahn.Gasket characteristics for the design of bolted flange connections of metal－ to－metal contact type［J］.International Journal of Pressure Vessel and Piping，2002，79(1):45－52.

［2］ASME，Bolier and Pressure Vessel Code，Section Ⅲ［S］.1998.

［3］田园，任欣，高增梁，等.压力管道与容器密封结构螺栓预紧载荷确定方法的探讨［J］.压力容器，2008，25(3):22－26.

［4］RCC－M，Design and construction Rules for Mechanical Components of PWR Nuclear Islands，Annex ZV［S］.2000.

［5］范淑玲，章兰珠，林剑红，等.金属与金属接触型石墨密封垫片高温力学性能的试验研究［J］.压力容器，2013，30(4):1－7.

［6］励行根，励勇，励洁，等.核电站石墨密封垫片的试验研究［J］.液压气动与密封，2010(11):29－31.

［7］杨盛福.螺栓的液压拉伸预紧［J］.机床与液压，2005(8):149－150.

［8］初泰安.螺栓拧紧方法及预紧力控制［J］.化工设备与管道，2005，42(3):8－10.

［9］刘鸿文.材料力学［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［10］成大先.机械设计手册(第2卷)［M］.北京:化学工业出版社，2007.