某抽水蓄能電站頂蓋聯結安全性復核

章 亮，霍兆斌，趙 強，王寧寧

（1.國網新源控股有限抽水蓄能技術經濟研究院，北京市 100053；2.山西西龍池抽水蓄能有限責任公司，山西省忻州市 035500；3.國網新源控股有限公司回龍分公司，河南省南陽市 474650）

0 引言

抽水蓄能電站水泵水輪機組工況轉換頻繁，頂蓋座環連接螺栓受力比較復雜，俄羅斯薩揚—舒申斯克水電站和我國的某抽水蓄能電站發生過頂蓋螺栓斷裂引起水淹廠房嚴重后果的事件[1-3]。針對連接螺栓，國內學者展開了大量的研究工作[4-11]，頂蓋螺栓的預緊對機組的安全有著重要的影響，預緊力過小可能引起螺栓的應力幅值過大，造成疲勞破壞；預緊力過大可能引起螺栓的靜載荷過大，造成螺栓塑性變形甚至斷裂，且由于預緊力過大可能會造成頂蓋和座環的破壞。某在運行抽水蓄能電站擬利用機組大修將當前的螺栓預緊應力提升，其主要目的是增加預緊應力同工作應力的比值。

1 頂蓋螺栓的受力特點

施加預緊力F0是為了增強連接的可靠性、緊密性和剛性，提高連接的防松能力，防止受載后被連接件間出現間隙或發生相對位移；對于受變載荷的螺紋連接還可提高其疲勞強度。當受到工作載荷F時，預緊力也發生變化，變化后的預緊力稱為殘余預緊力F1，起到防松連接可靠性、緊密性的作用[12，13]。因此，有螺栓的總載荷F2=F+F1。

為了保證連接的緊密性，防止連接受載后結合面產生縫隙，應使F1＞0，推薦采用的F1為：對于有緊密性要求的連接，F1=(1.5～1.8)F；對于一般的連接，工作載荷穩定時，F1=(0.2～0.6)F；工作載荷不穩定時，F1=(0.6～1.0)F。

螺栓所承受的總拉力F2也可按照式（1）計算：

2 預緊力提升方案

該抽水蓄能電站機組頂蓋螺栓在設計壓力下的工作載荷最大，其次是在雙機甩負荷的工況下，不同工況下螺栓的工作載荷如圖1所示。

圖1 各工況下螺栓的工作載荷Figure 1 The working loads of bolts in various working conditions

該抽水蓄能電站頂蓋把合螺栓螺母呈同心圓狀均勻分布80 個，頂蓋螺栓螺紋的連接規格為M130×6，當前的預緊應力由294MPa 提升至440MPa 后，如果螺栓和螺母不能滿足要求，則需要進行更換。此外，由于頂蓋、座環均無法更換，需對提升預緊力后頂蓋和座環的強度是否能否滿足要求進行復核。

2.1 螺栓強度復核

根據頂蓋螺栓的受力特點及安裝特點，結合相關的標準，預緊力提升后需保證以下值：

（1）螺栓的預緊應力與設計工作應力（最不利工況對應的應力）的比值（定義為預緊安全系數）≥2.0。

（2）螺栓殘余預緊力與工作載荷的比值（定義為夾緊力安全系數）≥0.6。

（3）螺栓截面平均應力的最大值與材料屈服強度的比值（定義為材料安全系數）≤2/3。

表1 為螺栓、螺母、頂蓋和座環的材料及強度要求。

表1 各部件的力學性能要求值

由圖2 和圖3 可見，當提升預緊力后，螺栓的預緊安全系數和夾緊力安全力系數都增加，能夠增加連接結構的緊密性。

圖2 各工況下的預緊安全系數Figure 2 The preload safety factors in various working conditions

螺栓預緊時操作時，預緊力是可以無限提高的，在沒有其他載荷的條件下，都有可能由于預緊力過大使得螺栓斷裂，因此，限制頂蓋螺栓的材料許用安全系數應該取1.5，即總載荷小于材料屈服強度的2/3。由圖4 可見，當提升預緊力后，螺栓的材料安全系數均接近或超過0.6，更加接近螺栓材料屈服強度的2/3，螺栓發生斷裂的風險增加。

圖4 各工況下的材料安全系數Figure 4 The material safety factors in various working conditions

2.2 螺母的強度復核

螺母的結構如圖5所示，螺母采用內六角預緊孔施加扭矩預緊。

圖5 螺母結構圖（單位：mm）Figure 5 Drawing of nut structure（unit：mm）

當預緊力提升后，需對螺母的螺紋部分以及內六角預緊孔的強度進行復核。螺紋牙的受力分析，傳統的設計方法是將螺紋牙展開后，將其視為懸臂梁，螺紋牙承受沿螺栓軸向的載荷力，根據集中力的原則，則力的作用點位于螺紋牙中徑。對螺紋牙的強度校核通常包括抗剪切校核、抗彎曲校核。螺母材料的屈服強度下限為355MPa，螺母螺紋部分的不合格，需要更換螺母。通過抗剪切校核、抗彎曲核校驗的結果，選定新螺母材料為JIS G4053 SNC631，材料屈服強度≥685MPa，抗拉強度≥830MPa，螺母強度低于螺栓強度，有較好的匹配性。

螺母安裝時是扭矩控制的，扭矩計算時的扭矩系數K值一般取0.2，預緊應力為440MPa。有限元計算的結果表明，局部最大應力為755MPa，超過了螺母材料的屈服強度的最低要求，產生最大應力的位置很小。按照ASME 第Ⅷ卷第2 冊第五章的分析設計原則，將應力劃分為一次總體薄膜應力、一次局部薄膜應力、一次彎曲應力、二次應力和峰值應力，然后采用不同的強度條件對各種應力及其組合限制。當有一次薄膜應力、二次薄膜應力和彎曲應力時，應力組合不超過材料許用應力的3 倍，其中，許用應力按照屈服強度的2/3 和抗拉強度的1/3 的較小值取值，如圖6[15]所示。

更換后的螺母的屈服強度和抗拉強度的下限值分別為685MPa 和830MPa，許用應力為276.67MPa。按照分析設計校核的原則，應力組合最大處為755MPa，小于許用應力的3倍830MPa，強度合格。

2.3 頂蓋的聯結安全

螺栓受到的總載荷為拉力，墊圈及頂蓋受到同樣大小的壓力。未增加墊圈時，總載荷通過螺母的截面積作用到頂蓋上，由于頂蓋無法更換，提升預緊力后，壓應力超過頂蓋的屈服極限，因此，只能通過增大接觸面積的方式減小頂蓋的壓應力。在頂蓋螺母和頂蓋之間加一個20mm 的墊圈，材料為JIS G4051 S45CN，屈服強度≥345MPa。增加墊圈后，螺母和墊圈之間的受力面積同墊圈和頂蓋之間的受力面積對此見圖7，后者面積是前者面積的2.4 倍。增加墊圈前，總載荷通過螺母的截面積作用到頂蓋上，而在增加墊圈后，總載荷通過墊圈的截面積作用到頂蓋上，頂蓋應力值約為增加墊圈前的40%，為127.5MPa，小于頂蓋的屈服強度，滿足使用要求。

圖7 螺母和墊圈之間的受力面積同墊圈和頂蓋之間的受力面積對比（單位：mm）Figure 7 The comparison of stress areas between nut with washer and washer and head cover（unit：mm）

墊圈的應力值為307.8MPa，小于其屈服強度，滿足使用要求。由于增加螺紋了墊圈，螺栓的長度也需要增加20mm。如果螺栓的或者螺紋部分的長度不能滿足預緊要求，則需更換螺栓。

2.4 座環內螺紋的安全

座環內螺紋主要校核其剪切強度，同前述螺母的內螺紋校核的內容一致，校核結果滿足使用要求。內螺紋校核的結果為：剪切應力為105.9MPa，小于許用剪切應力112.6MPa，提升預緊力后坐環的內螺紋是安全的。

3 其他

施加預緊力是為了保證螺栓連接副的穩定性，保證殘余預緊力滿足要求，這是螺紋連接副的使用要求。當按照294MPa 預緊時，預緊安全系數為1.34，此時的殘余預緊力安全系數為0.64，材料安全系數為0.43，滿足整體穩定性的要求。

提高預緊力需增加螺母的扭矩，對于按照扭矩控制的螺栓，增加螺母破壞的風險，同時會給頂蓋、座環的安全性帶來風險，且需更換螺栓。特別是對于該電站已經經過雙機甩負荷試驗，且已安全運行一個大修周期，進一步增加預緊力的必要性值得討論。

4 結論

（1）按照螺栓的受力分析，當提升預緊力后，預緊安全系數、夾緊力安全系數、材料安全系數的均滿足要求。

（2）提升預緊力后，螺母的內螺紋校驗不合格，需要更換材料強度更高的螺母。扭矩造成新螺母內六角預緊孔局部應力超過屈服極限，按照ASME 標準的應力分析設計原則，不會發生塑性垮塌，可以安全使用。

（3）在頂蓋和座環之間增加墊圈可以使得頂蓋的接觸面積增大，壓應力減小，頂蓋的校驗結果合格，墊圈和座環的強度也符合要求。由于增加了墊圈，螺栓的長度增加，需要更換螺栓。

（4）提升預緊力需更換螺母和螺栓，且造成頂蓋和座環的應力比之前增加，進一步增加預緊力的必要性值得討論。