卸压箱爆破片螺栓拧紧力矩计算方法研究

卸压箱爆破片螺栓拧紧力矩计算方法研究

陈树毛辉辉何子昂张敏杰田宇

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213）

【摘要】在国家自主知识产权华龙一号核电站设计中，反应堆冷却剂系统稳压器卸压箱参数变化很大，卸压箱爆破片作为卸压箱的重要组成部分，是防止卸压箱超压的重要安全装置。爆破片通过螺栓安装在卸压箱上、下人孔法兰之间，其安装螺栓的拧紧力矩必须经严格的计算并满足要求。对爆破片安装螺栓的拧紧力矩进行了计算分析，并提出螺栓的拧紧顺序与力矩要求。

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关键词 拧紧力矩；爆破片；计算分析

0概况

华龙一号核电站反应堆冷却剂系统稳压器卸压箱采用卧式圆筒形容器，结构如图1，主要功能是收集并冷凝冷却来自稳压器安全阀或释放阀排入的高温高压蒸汽；此外，卸压箱也收集来自RRA、RCV等系统所排放的疏水。爆破片装置是卸压箱防超压的安全装置。它的功能是：在规定的压力和温度下准确爆破而卸压，防止卸压箱内介质的压力超过容许的限度而造成卸压箱损坏。当稳压器安全阀开启时，蒸汽经稳压器排放管线进入卸压箱，从鼓泡管均匀地喷入水中，与水混合而被凝结和冷却。在这过程中，卸压箱中水温和压力增高。如压力增高达到设定的额定爆破压力1.5MPa（表压）卸放值时，卸压箱上部的安全爆破片爆破，直接将箱内蒸汽排放到安全壳内。卸压箱爆破片装置位于卸压箱的右上部，位于卸压箱人孔的上、下法兰之间，安装结构图见图2。

1螺栓拧紧力矩对卸压箱爆破片装置密封的重要性

卸压箱爆破片装置必须有良好的密封性能，同时与卸压箱相关接口具有良好的安装性能。华龙一号核电站反应堆冷却剂系统稳压器卸压箱爆破片装置由20组M27螺栓组件紧固在法兰上，螺栓分布如图3所示。卸压箱爆破片装置的密封压力完全通过拧紧螺栓来保证，而螺栓拧紧的程度则通过拧紧力矩来表征。为了保证密封性能，必须对相关螺栓的拧紧力矩进行计算。对卸压箱爆破片安装连接螺栓的拧紧力矩分析计算重点就是保证卸压箱爆破片的良好安装及性能要求。

2卸压箱爆破片装置螺栓拧紧力矩的计算

在本力矩计算中，主要依据《压力容器》[1]和《机械设计手册》[2]的规定方法，主要对螺栓垫片压紧力、螺栓载荷、法兰力矩以及实际拧紧力矩进行计算。

2.1垫片压紧力计算

爆破片连接螺栓采用内填石棉缠绕式金属垫片，根据《压力容器》[1]中对螺栓垫片压紧力的规定，垫片压紧力需要按下列规定进行计算：

①预紧状态下需要的最小垫片压紧力：Fa=3.14DGby（1）

②操作状态下需要的最小垫片压紧力：Fp=6.28DGbmpc（2）

DG——垫片接触的平均直径mm

b——垫片有效密封宽度mm

y——垫片比压力，MPa

m——垫片系数

pc——计算压力MPa（爆破片设定爆破值1.5MPa）

在上述公式中，垫片接触的平均直径、有效密封宽度均与垫片的形状有关，垫片系数与垫片比压力均可以根据垫片材质在《压力容器》查得，

根据《压力容器》中表7.2查得石棉缠绕式金属垫片：m=3.0y=69MPa；同时按《压力容器》表7-1序号1c垫片的：b0=（（13+4.5）/2）=8.75mm，

，垫片接触的平均直径DG=523.5-2*b=508.532mm。

带入上述的参数，经计算，垫片的压紧力为：

①预紧状态下需要的总的最小垫片压紧力：Fa=3.14DGby=824.6kN

②操作状态下需要的总的最小垫片压紧力：Fp=6.28DGbmpc=107.6kN

2.2螺栓载荷计算

根据《压力容器》螺栓载荷的计算规定，按下列公式计算：

预紧状态下需要的最小螺栓载荷：Wa=Fa（3）

操作状态下内压力引起的螺栓总轴向力：F=（π/4）DG2pc（4）

最小的螺栓载荷Wp=F+Fp（5）

带入螺栓垫片的压紧力计算结果及查得参数,

预紧状态下需要的最小螺栓载荷：Wa=Fa=824.6kN

操作状态下内压力引起的螺栓总轴向力：F=（π/4）DG2pc=304.5kN

操作状态下需要的最小螺栓总载荷：Wp=F+Fp=412.1kN

2.3法兰力矩计算

按照力与力矩的关系式 N＝KFGd（6）

K——拧紧系数（在此按按干燥粗加工表面取0.3）

FG——法兰垫片压紧力

d——螺栓实际作用力直径

该法兰用紧固件螺栓为M27*2，用紧固件螺栓20对，螺纹实际作用力直径为d＝24.84mm。因此，经计算：

预紧状态下每条螺栓最小加载扭矩：Na=0.3(FG/20)d=0.3*（824.6/20）*24.84＝307.2N.m。

操作状态下每条螺栓最小加载扭矩：Na=0.3(π/4)d＝0.3*（412.1/20）*24.84＝153.6N.m

2.4实际拧紧力矩

根据设计要求，螺栓法兰结构能够提供的对爆破片装置的夹紧载荷上限为1250kN（即单支螺栓提供的加紧载荷不超过62.5kN），按80%（即1000kN）作为实际螺栓加载载荷。

实际螺栓力矩N=0.3(FG/20)d＝0.3*（1000/20）*24.84=372.6N.m

圆整后取N=372N.m，均大于上述2.3的预紧状态下的螺栓最小加载载荷304.5kN和操作状态下的螺栓最小加载载荷153.6kN，设计爆破片装置的夹紧载荷满足螺栓拧紧力矩的要求。

3螺栓力矩实际拧紧方法

对于爆破片装置，其爆破压力会因法兰螺栓拧紧力的大小而变化，因此，螺栓拧紧力须按所给定的力矩值并用扭力扳手拧紧。为了保证螺栓拧紧过程中爆破片所受夹紧力的均匀性，本装置安装时，依据上述的螺栓拧紧力矩计算结果，法兰螺栓拧紧过程建议应按附图4中螺母顺序分四次完成，每次力矩值分别设定为：

第一次：100N.m 第二次：200N.m 第三次：300N.m 第四次：372N.m

图4螺栓拧紧次序

4小结

根据工程经验，本文中所采用的计算方法具有比较充分的安全余量，满足相关设备使用需求，是较为成熟和简便的计算方法，适合卸压箱爆破片装置安装中螺栓拧紧力矩的计算。同时本文给出了实际安装螺栓力矩拧紧方法，保证了法兰面受力均匀。

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参考文献

［1］GB150.3-2011 中华人民共和国国家标准《压力容器》第3部分[S].

［2］机械设计手册[Z].

［责任编辑：汤静］