蒸汽發生器地腳螺柱卡澀分析與討論

湯臣杭 余平 談國偉

摘 要

蒸汽發生器為核電廠的重要設備，設備安裝過程中需要使用螺栓拉伸機對地腳螺柱進行預緊。本文以某核電廠蒸汽發生器地腳螺柱預緊過程中發生的螺母卡澀為例，對螺母卡澀原因進行了分析。分別從螺柱螺母公差配合，螺柱拉伸過程中的伸長量，螺柱螺母的配合間隙變化情況等方面進行了定量分析，給出螺母卡澀的原因。基于分析結果，針對大直徑、高強度地腳螺柱，從螺紋副配合間隙設計角度，提出了防止卡澀措施。

關鍵詞

蒸汽發生器;地腳螺柱;卡澀;公差配合

中圖分類號： TE96? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.012

Abstract

The steam generator is an important equipment in nuclear power plant. In the process of equipment installation，it is necessary to use bolt stretcher to pre tighten the anchor bolts.In this paper，the cause of nut jam during the pre-tightening process of the anchor bolt of a nuclear power plant steam generator is analyzed.The quantitative analysis is made from the tolerance fit of stud and nut，the elongation in the process of stud stretching，the clearance change of stud and nut clearance.The causes of nut jam are given.Based on the analysis results，for the large-diameter and high-strength anchor studs， the measures to prevent jamming are given in view of fit clearance design of thread pair.

Key Words

Steam generator;Anchor bolt;Jamming;Tolerance fit

0 前言

蒸汽發生器為壓水堆核電廠反應堆冷卻劑系統的重要設備之一，是壓水堆核電廠一回路、二回路的邊界[1]。蒸汽發生器為重型設備，地腳螺柱需采用大直徑的預埋螺柱。為有效控制地腳螺柱的預緊載荷，需要采用拉伸機進行預緊。這種方法相比力矩法和螺母轉角法，具有操作簡單、預緊效率高、預緊精度高等優點[2]。

核電設備螺柱螺母安裝過程中，容易出現螺紋卡澀、損傷現象[3]，但對于螺柱預緊過程中，出現的螺母卡澀，鮮有相關文獻進行分析。本文針對國內某核電站蒸汽發生器地腳螺柱預緊時出現的螺母卡澀，進行了分析和討論，并針對采用拉伸機預緊的地腳螺柱，從螺紋副配合間隙設計的角度提出了防止卡澀的措施。

1 設備及螺母卡澀概況

蒸汽發生器支承分為垂直支承和水平支承。水平支承中，共有24顆M76螺柱，需預埋在混凝土中，單顆螺柱結構示意圖如圖1所示。其中螺母設計為拉伸專用的螺母，螺母端部帶有小孔。

螺柱預緊時，采用拉伸機在端部拉伸螺柱，然后通過螺母上的小孔，撥動螺母，以實現螺柱預緊，如圖2所示。

國內某核電站蒸汽發生器地腳螺柱預緊時，3臺蒸汽發生器24顆螺柱，共有18顆螺柱拉伸至預緊力設計值的69%～97%，出現螺母卡澀現象，即螺柱可拉長，但螺母無法旋動，然而在螺柱卸載之后，螺母可正常旋入和旋出。

2 卡澀原因分析

2.1 公差配合分

蒸汽發生器支承用螺柱螺母的尺寸、材料和預緊力如表1所示。

螺柱與螺母的配合為6g6H配合關系，屬于GB/T 197-2003《普通螺紋公差》中推薦的中等精度的配合關系。根據公稱直徑、螺距和配合關系，螺紋中徑的名義尺寸、公差帶位置及公差帶大小如圖3所示。螺柱與螺母屬于間隙配合。螺母螺紋和螺柱螺紋的中徑差值在0.06～0.611mm之間。

在螺柱未拉伸的條件下，螺母可自由選入和旋出，不存在卡澀現象。螺柱、螺母采用相應精度等級的螺紋量規，均檢驗合格。但由于螺柱預緊過程中，螺柱受到拉伸載荷，而螺母未受力，螺柱與螺母的螺紋牙間隙有減少趨勢，當螺紋牙之間的間隙過小時，即可能出現螺母卡澀現象。

2.2 螺柱伸長量計算

需定量分析拉伸過程中螺柱與螺母螺紋之間的間隙變化情況，首先需計算螺柱與螺母嚙合區域螺柱的伸長量。

根據虎克定律，嚙合區域螺柱的伸長量可用以下公式（1）進行計算。

從公式（5）可知，螺柱拉伸時的伸長量與嚙合長度和螺柱材料的屈服強度成正比。對于合金鋼螺柱，材料彈性模量E接近，而螺柱與螺母的嚙合長度通常為（1～1.25）倍公稱直徑。因此，螺柱的伸長量，正比于公公稱直徑和螺柱材料屈服強度。對于大直徑、高強度的螺柱，在采用螺栓拉伸機進行預緊時，更容易出現預緊過程中的螺母卡澀情況。

從上述分析與討論中可知，對于采用螺栓拉伸機預緊的大直徑螺柱，直接采用GB/T 197-2003《普通螺紋公差》中推薦的配合關系，可能出現拉伸過程中螺母卡澀情況，有必要對螺紋副配合間隙進行重新設計。基于第3.4節分析，在標準中推薦的公差配合關系基礎上，將螺紋公差帶縮為原先1/2，可有效避免拉伸過程中的螺母卡澀。

4 小結

（1）針對國內某核電站蒸汽發生器地腳螺柱預緊過程出現的中螺母卡澀現象，分析了螺柱螺母螺紋副配合情況。

（2）定量分析了螺柱拉伸過程螺紋副間隙變化情況，給出了螺母卡澀的原因。

（3）對大直徑、高強度的地腳螺柱的螺紋副配合間隙設計提出了建議措施，可有效避免螺柱拉伸過程中的螺母卡澀問題，為大直徑、高強度螺柱螺紋副配合設計提供了改進措施。

參考文獻

[1]《蒸汽發生器》編寫組. 蒸汽發生器[M].北京：原子能出版設計，1982.

[2]楊盛福.螺栓的液壓拉伸預緊[J].機床與液壓，2005 No.8：149-150.

[3]周萬云，許洪朋，劉東杰，楊景超.反應堆壓力容器主螺栓孔修復方案探討[J]. 壓力容器，2015，（32）2：75-80.

[4]成大先.機械設計手冊（第2卷）[M].北京：化學工業出版社，2007.