湛卉　甕松峰

【摘 要】核島主設(shè)備-蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器以及主泵采用螺栓連接固定，螺栓連接的可靠與否關(guān)系到設(shè)備的運行安全，核島主設(shè)備螺栓一般采用預(yù)緊后緊固。目前預(yù)緊采用螺栓拉伸機，本文針對基于新型螺母——超級螺母的預(yù)緊技術(shù)，結(jié)合工程經(jīng)驗，從多角度對比了二者的優(yōu)缺點，探討核島主設(shè)備采用超級螺母預(yù)緊的可行性。

【關(guān)鍵詞】核島主設(shè)備；螺栓連接；預(yù)緊技術(shù)；液壓螺栓拉伸機；超級螺母

Pre-tightening technic for Anchor bolts Of Nuclear Island Equipments

ZHAN Hui WENG Song-feng

（Science and Technology on Reactor System Design Technology laboratory， Nuclear Power Institute of China， Chengdu Sichuan 610041， China）

【Abstract】Bolting are widely used in unclear island as an reliable connection， especially in the anchor-hold of the main equipments， such as the steam generator， the pressurizer and the RCP. Those bolts should be reliably pre-tightened since they are relative to the safety of the whole nuclear project. Nowadays， aimed at different bolts， different hydraulic bolt tensioning devices are designed. A new device-super nut is introduced as an effective solution in stead of bolt tensioning device in this paper， and the advantages and disadvantages between bolt tensioning device and super-nut are also given.

【Key words】Nuclear island equipments； Bolting； Pre-tightening technic； Hydraulic bolt tensioning device； Super-nut

0 前言

螺栓聯(lián)接作為一種可靠有效的聯(lián)接方式，在核電廠房內(nèi)的大型設(shè)備中廣泛應(yīng)用。核島主設(shè)備蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵等，其緊固均采用螺栓連接。這些螺栓的連接可靠與否關(guān)系到設(shè)備正常運行，因此核電廠內(nèi)主設(shè)備螺栓的預(yù)緊至關(guān)重要。為了增強螺栓聯(lián)接的剛性、防松能力與疲勞壽命，多數(shù)螺栓聯(lián)接在裝配時須對螺栓施加穩(wěn)定而可靠的預(yù)緊力。目前在核電廠內(nèi)廣泛使用的螺栓預(yù)緊方式是利用液壓螺栓拉伸機來進(jìn)行螺栓預(yù)緊，近年來一種新型的超級螺母也開始在螺栓預(yù)緊領(lǐng)域嶄露頭角。

1 螺栓拉伸機的工作原理及特點

1.1 螺栓拉伸機的工作原理

螺栓拉伸器一般由液壓泵、高壓軟管、壓力表、拉伸器以及伸長量測量系統(tǒng)組成（圖1）。工作時，將拉伸器裝于待預(yù)緊螺栓端部，利用拉伸螺母的螺紋和待預(yù)緊螺栓螺紋嚙合。動力源液壓泵輸出的高壓有經(jīng)高壓軟管輸送至活塞缸，在壓力作用下活塞缸中的活塞上移，帶動拉伸螺母向上移動。拉伸螺母與工作螺栓的螺紋聯(lián)接拉長工作螺栓，待螺栓伸長量達(dá)到要求的變形量時，將工作螺母擰緊或者拆除，最后通過液壓或者機械回位的方式使工作螺栓復(fù)位[1]。

圖1 拉伸器的典型結(jié)構(gòu)

1、6.撥桿；2.活塞；3.活塞缸；4.密封圈；5.支撐橋；7.拉伸螺母；8.螺母套.

1.2 螺栓拉伸機的優(yōu)缺點

螺栓拉伸機使用純拉力直接拉長螺栓，無扭剪力和側(cè)向力，對工作螺栓聯(lián)接的接觸面無摩擦損傷[2]，是精確控制螺栓預(yù)緊力的方法之一。其優(yōu)點總結(jié)如下：

1）對工作螺栓螺母的外形要求不高。由于其拉伸器可以針對不同螺母單獨設(shè)計，因此主設(shè)備螺栓螺母結(jié)構(gòu)簡單；

2）使用方式靈活。螺栓拉伸機的拉伸器可單個使用，也可多個成組使用?？筛鶕?jù)螺栓的預(yù)緊要求，自主選擇同時使用的拉伸器個數(shù)。而在液壓泵站的容量允許情況下，其同時使用的拉伸器數(shù)目靈活，甚至可以是不同型號的拉伸器。在蒸汽發(fā)生器一次側(cè)人孔、二次側(cè)人孔、手孔及觀察孔的法蘭螺栓預(yù)緊中，要求法蘭上多個（最多20個）螺栓同時預(yù)緊。使用一組拉伸器同時拉伸不僅能夠提高螺栓預(yù)緊效率，同時能夠保證多個螺栓受力的均勻性。這在高壓密封的法蘭連接中尤其重要。

但是，螺栓拉伸機也有不可避免的缺點：

1）對螺栓的操作空間要求較高。拉伸器需要通過和螺栓末端的螺紋連接才能完成螺栓的拉伸，因此拉伸器在安裝時對螺栓螺母周圍的安裝空間要求比較嚴(yán)格。在核電廠房內(nèi)，很多螺栓的安裝空間不足以滿足螺栓拉伸機的使用要求，以福清3&4號機組為例，主泵阻尼器錨固螺栓在安裝完成后，距離最近的筋板理論尺寸為37.54mm，但實際安裝完成后螺栓與筋板的最小距離約為20mm。這種狹小的空間，給拉伸器的設(shè)計帶來困難。同時主泵阻尼器外殼作為鑄件，其形狀尺寸誤差也較大，給螺栓拉伸機的設(shè)計和使用也帶來一定難度。

2）對螺栓的安裝要求較高。一般地，螺栓拉伸器與螺栓末端的螺紋嚙合長度應(yīng)不低于螺栓直徑。另一方面，由于螺栓拉伸器在工作時整體罩于工作螺母和工作螺栓末端，如果工作螺栓末端伸長量過長，會造成拉伸器的支承件無法接觸設(shè)備支承面，無處施加力?？偟膩碚f，螺栓末端伸長量（有效螺紋長度）既不能過?。☉?yīng)大于等于工作螺栓的直徑），也不能過大（應(yīng)保證支承件能接觸設(shè)備表面）。核島廠房內(nèi)很多螺栓連接是貫穿于水泥墻板內(nèi)的預(yù)埋件的，水泥墻板的澆灌誤差較難控制，螺栓在現(xiàn)場實際安裝后，末端伸長量差別較大，例如福清核電廠3&4號機組的主設(shè)備螺栓拉伸機在供貨前的接口測定中，發(fā)現(xiàn)部分錨固螺栓末端螺紋長度差別很大（表1），給螺栓拉伸機的使用帶來困難。

表1 福清核電廠3&4號機組部分主設(shè)備錨固螺栓預(yù)緊參數(shù)

3）螺栓拉伸機自身工作空間大。為了提供足夠動力源，螺栓拉伸機需配備高壓液壓泵站，其體積較大，在廠房內(nèi)不宜運輸。

4）螺栓拉伸機的長期儲存維護(hù)成本高。作為高壓/超高壓液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)密封性能以及保壓性能在長期貯存中不可避免的會出現(xiàn)損失，為了維持其功能，需要定期做試驗，并對消耗品例如密封圈、液壓軟管等進(jìn)行更換。

綜合考慮，盡管液壓螺栓拉伸機在目前的核島廠房主設(shè)備螺栓預(yù)緊方面應(yīng)用廣泛，卻并非完美的解決方案。針對螺栓操作空間狹小的螺栓，可以探討結(jié)構(gòu)更簡單、操作更方便、對空間要求更小的方式，而超級螺母可以解決此類問題。

2 超級螺母的原理及特點

2.1 超級螺母的工作原理

超級螺母是由一個帶有多個頂緊螺釘?shù)膱A螺母和一個超硬墊圈組成，圖2所示。圓螺母是鎖緊螺母的本體，也是頂緊螺釘?shù)某休d體；頂緊螺釘將扭矩扳手施加在其上的預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化為推理；超硬墊圈將頂緊螺釘產(chǎn)生的推力傳遞到工件表面，同時還對工件表面起到保護(hù)作用[3]。

圖2 超級螺母結(jié)構(gòu)示意圖

實際使用時，超級螺母作為一個整體替代傳統(tǒng)螺母：先將超硬墊圈套入工作螺栓接觸工件表面，再將圓螺母擰下，接觸到超硬墊圈即可。之后通過手動扭矩扳手對稱均勻地擰緊頂緊螺釘，直到工作螺栓伸長量達(dá)到預(yù)定值。

超級螺母的工作原理圖3所示。擰緊時，頂緊螺釘將扭矩扳手施加其上的預(yù)緊力矩T轉(zhuǎn)化成推力F，多個（N個）頂緊螺釘共同產(chǎn)生的推力NF集中作用于超硬墊圈上，由超硬墊圈傳遞給工件表面，即為超級螺母提供的預(yù)緊力F0：

即 F0=NF（1）

頂緊螺釘?shù)臄?shù)量容易確定，而頂緊螺釘推力F的確定相對麻煩，一般采用標(biāo)定的方式。在超級螺母出廠前需進(jìn)行多次試驗，獲得頂緊螺釘推力F與頂緊螺釘伸長量ΔL的關(guān)系曲線，從而完成對推力F的標(biāo)定：

F=f（ΔL） （2）

在所需預(yù)緊力已知、頂緊螺釘數(shù)量N已經(jīng)明確的情況下，單個頂緊螺釘推力：

F=F0/N（3）

再根據(jù)出廠標(biāo)定獲得的F=f（ΔL）倒推出頂緊螺釘?shù)纳扉L量。現(xiàn)場使用時，只需要控制頂緊螺釘?shù)纳扉L量ΔL即可獲得想要的預(yù)緊力：

ΔL=f-1（F0/N）（4）

圖3 超級螺母的工作示意圖

為了保證多個頂緊螺栓的受力均勻，減少不同步驟預(yù)緊的頂緊螺釘相互之間的影響，需合理安排頂緊螺釘?shù)念A(yù)緊順序，也可以分步獲得需要的預(yù)緊力。例如，針對N=8的超級螺栓，一般預(yù)緊順序如圖4所示。

圖4 N=8的超級螺母頂級螺釘預(yù)緊順序

2.2 超級螺母的優(yōu)缺點

超級螺母作為一個整體替代了螺母，同時具備預(yù)緊功能。通過將一個大螺栓預(yù)緊分散成N個小的頂緊螺釘預(yù)緊來簡化螺栓的預(yù)緊操作。相對于利用螺栓拉伸機來預(yù)緊螺栓，優(yōu)勢明顯：

1）超級螺母對操作空間要求低。由于超級螺母替代了螺母本身，其安裝與傳統(tǒng)螺母沒有太大差別，體積基本一致。對于螺栓操作空間（尤其是工作螺栓軸向的操作空間）要求大大降低。

2）大大降低了實際加載的預(yù)緊力。根據(jù)式3，實際加載的預(yù)緊力分散在N個頂緊螺釘上之后，加載的預(yù)緊力減小到1/N，只需取合適的數(shù)值N，完全可以利用人力來達(dá)到預(yù)緊目的，而不需要利用高壓液壓裝備。

3）超級螺母經(jīng)濟性更高。超級螺母超級替代傳統(tǒng)螺母，結(jié)構(gòu)簡單，其設(shè)計和制造成本無疑降低很多。

4）超級螺母后期維護(hù)容易。理論上講，超級螺母幾乎不需要后期維護(hù)。在出廠前通過對所有螺紋進(jìn)行潤滑劑預(yù)涂，一旦頂緊螺釘預(yù)緊完成，螺栓的預(yù)緊就得以實現(xiàn)。工作螺栓在預(yù)緊拉伸時不會產(chǎn)生任何扭轉(zhuǎn)力，而超級螺母自動產(chǎn)生放松保護(hù)。即使在靜止、交替、沖擊負(fù)荷狀態(tài)下仍然保持鎖緊狀態(tài)，終生無需維護(hù)。

5）超級螺母的使用可延長工作螺栓的使用壽命。由于頂緊螺釘?shù)耐屏是分多次緩慢增長，對工作螺栓產(chǎn)生的拉力也是緩慢增加，減少對螺栓的沖擊損傷[3]。同時，工作螺栓在預(yù)緊拉伸時承受的是純軸向力，減少工作螺栓螺紋表面摩擦造成吃面損傷的可能性。

超級螺母作為在有限操作空間內(nèi)的螺栓預(yù)緊手段，在操作空間有限的螺栓預(yù)緊上優(yōu)勢明顯，但也有不足之處：

1）不能直觀體現(xiàn)工作螺栓的預(yù)緊力。超級螺母的工作原理決定了，在現(xiàn)場實際控制的是頂緊螺釘?shù)纳扉L量ΔL。而由本文式（1）（2）可知：

F0=N f（ΔL）

因此ΔL的控制至關(guān)重要，同時進(jìn)過N倍放大后，ΔL的控制誤差也就經(jīng)過了放大，因此F0的控制精度實際受到一定的影響。

2）使用超級螺母預(yù)緊會損失一定的工作效率。在理想情況下，操作者在經(jīng)過培訓(xùn)后使用螺栓拉伸機是方便高效的，只需依次將多個螺栓拉伸器裝入螺栓末端，設(shè)置合適的預(yù)緊力，拉伸螺栓，擰緊工作螺母，然后螺栓復(fù)位，工作螺栓的預(yù)緊即告完成。在多個螺栓同時預(yù)緊的情況下，這種預(yù)緊方式無疑是非常高效的。而超級螺母為了利用較小的力獲得較大的預(yù)緊力，需預(yù)緊的螺釘數(shù)量其實成N倍放大，因此其工作效率必然降低。更由于單個超級螺母上的N個頂緊螺釘需要按一定順序進(jìn)行預(yù)緊，同時不同工作螺栓也需要按一定順序預(yù)緊，其操作流程相對繁瑣。

3）可能降低預(yù)緊效果。單個超級螺母上的N個預(yù)緊螺釘之間存在受力不均的可能性，這在一定程度上可能降低超級螺母的預(yù)緊效果。

綜上所述，超級螺母作為近年來新興的螺栓緊固方式，在很多方面優(yōu)勢明顯，例如可在狹小空間使用、造價低廉、幾乎不需要維護(hù)等等，但在需要多個螺栓同時預(yù)緊的場合，工作效率不高。

3 超級螺母的適用場合

超級螺母能夠很好的解決傳統(tǒng)螺母在預(yù)緊時摩擦力大而造成的有效預(yù)緊力難以控制以及預(yù)緊力過大的缺點，所以，目前超級螺母已經(jīng)在各處大型設(shè)備固定上開始使用，例如德國海上風(fēng)電海洋平臺的固定即采用了超級螺母MSN-M160，利用36只超級螺母托起20550t的海洋平臺，如圖5所示。

超級螺母不僅可以為螺栓提供巨大預(yù)緊力，同時在螺栓安裝空間有限、操作空間狹小的條件下，超級螺母更能適應(yīng)工作環(huán)境。而核島廠房內(nèi)有許多螺栓正處于這種工作環(huán)境。

核島廠房內(nèi)幾大主設(shè)備與廠房主體的連接基本采用螺栓連接，例如穩(wěn)壓器支承裙和預(yù)埋件的聯(lián)接、蒸汽發(fā)生器垂直支腿和樓板的連接、蒸汽發(fā)生器阻尼器支座和預(yù)埋件的聯(lián)接、蒸汽發(fā)生器橫向支承和墻體的連接、主泵垂直支承和樓板的連接、主泵阻尼器支座和預(yù)埋件的連接等。這些螺栓不僅要保證核電廠正常運行情況下主設(shè)備和廠房的連接可靠，還要抵御可能出現(xiàn)的地震等突發(fā)情況。因此其預(yù)緊力大，可靠性要求高。在以往的核電項目中，由于周圍空間結(jié)構(gòu)限制，螺栓拉伸機極易與周圍環(huán)境結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，例如已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電的福清核電廠1&2號機組和正在建設(shè)中的3&4號機組，均出現(xiàn)過由于土建施工誤差或者螺栓安裝誤差造成的主泵阻尼器錨固螺栓拉伸機無法使用的情況，最終需要多個部門協(xié)調(diào)，花費大量人力物力來解決問題。

上文所述這些聯(lián)接部位，每一處螺栓均為4個一組，這就滿足使用超級螺母的前提。利用超級螺母代替?zhèn)鹘y(tǒng)螺母之后，可以利用原有的螺母安裝空間，對周圍空間要求降低，減少干涉問題產(chǎn)生。

4 結(jié)論

本文經(jīng)過對比液壓螺栓拉伸機與超級螺母的使用原理及優(yōu)缺點，提出了在核島廠房內(nèi)主設(shè)備錨固螺栓上采用超級螺母來替代傳統(tǒng)的螺母+螺栓拉伸機的預(yù)緊方式，不僅能夠適應(yīng)廠房內(nèi)嚴(yán)苛的工作環(huán)境，同時也具備良好的經(jīng)濟型，而且從長期的維護(hù)保存上考慮，也更簡便易操作。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]