核岛主设备锚固螺栓预紧技术的探讨

湛卉　瓮松峰

【摘 要】核岛主设备-蒸汽发生器、稳压器以及主泵采用螺栓连接固定，螺栓连接的可靠与否关系到设备的运行安全，核岛主设备螺栓一般采用预紧后紧固。目前预紧采用螺栓拉伸机，本文针对基于新型螺母——超级螺母的预紧技术，结合工程经验，从多角度对比了二者的优缺点，探讨核岛主设备采用超级螺母预紧的可行性。

【关键词】核岛主设备；螺栓连接；预紧技术；液压螺栓拉伸机；超级螺母

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

螺栓联接作为一种可靠有效的联接方式，在核电厂房内的大型设备中广泛应用。核岛主设备蒸汽发生器、稳压器、主泵等，其紧固均采用螺栓连接。这些螺栓的连接可靠与否关系到设备正常运行，因此核电厂内主设备螺栓的预紧至关重要。为了增强螺栓联接的刚性、防松能力与疲劳寿命，多数螺栓联接在装配时须对螺栓施加稳定而可靠的预紧力。目前在核电厂内广泛使用的螺栓预紧方式是利用液压螺栓拉伸机来进行螺栓预紧，近年来一种新型的超级螺母也开始在螺栓预紧领域崭露头角。

1 螺栓拉伸机的工作原理及特点

1.1 螺栓拉伸机的工作原理

螺栓拉伸器一般由液压泵、高压软管、压力表、拉伸器以及伸长量测量系统组成（图1）。工作时，将拉伸器装于待预紧螺栓端部，利用拉伸螺母的螺纹和待预紧螺栓螺纹啮合。动力源液压泵输出的高压有经高压软管输送至活塞缸，在压力作用下活塞缸中的活塞上移，带动拉伸螺母向上移动。拉伸螺母与工作螺栓的螺纹联接拉长工作螺栓，待螺栓伸长量达到要求的变形量时，将工作螺母拧紧或者拆除，最后通过液压或者机械回位的方式使工作螺栓复位[1]。

图1 拉伸器的典型结构

1、6.拨杆；2.活塞；3.活塞缸；4.密封圈；5.支撑桥；7.拉伸螺母；8.螺母套.

1.2 螺栓拉伸机的优缺点

螺栓拉伸机使用纯拉力直接拉长螺栓，无扭剪力和侧向力，对工作螺栓联接的接触面无摩擦损伤[2]，是精确控制螺栓预紧力的方法之一。其优点总结如下：

1）对工作螺栓螺母的外形要求不高。由于其拉伸器可以针对不同螺母单独设计，因此主设备螺栓螺母结构简单；

2）使用方式灵活。螺栓拉伸机的拉伸器可单个使用，也可多个成组使用。可根据螺栓的预紧要求，自主选择同时使用的拉伸器个数。而在液压泵站的容量允许情况下，其同时使用的拉伸器数目灵活，甚至可以是不同型号的拉伸器。在蒸汽发生器一次侧人孔、二次侧人孔、手孔及观察孔的法兰螺栓预紧中，要求法兰上多个（最多20个）螺栓同时预紧。使用一组拉伸器同时拉伸不仅能够提高螺栓预紧效率，同时能够保证多个螺栓受力的均匀性。这在高压密封的法兰连接中尤其重要。

但是，螺栓拉伸机也有不可避免的缺点：

1）对螺栓的操作空间要求较高。拉伸器需要通过和螺栓末端的螺纹连接才能完成螺栓的拉伸，因此拉伸器在安装时对螺栓螺母周围的安装空间要求比较严格。在核电厂房内，很多螺栓的安装空间不足以满足螺栓拉伸机的使用要求，以福清3&4号机组为例，主泵阻尼器锚固螺栓在安装完成后，距离最近的筋板理论尺寸为37.54mm，但实际安装完成后螺栓与筋板的最小距离约为20mm。这种狭小的空间，给拉伸器的设计带来困难。同时主泵阻尼器外壳作为铸件，其形状尺寸误差也较大，给螺栓拉伸机的设计和使用也带来一定难度。

2）对螺栓的安装要求较高。一般地，螺栓拉伸器与螺栓末端的螺纹啮合长度应不低于螺栓直径。另一方面，由于螺栓拉伸器在工作时整体罩于工作螺母和工作螺栓末端，如果工作螺栓末端伸长量过长，会造成拉伸器的支承件无法接触设备支承面，无处施加力。总的来说，螺栓末端伸长量（有效螺纹长度）既不能过小（应大于等于工作螺栓的直径），也不能过大（应保证支承件能接触设备表面）。核岛厂房内很多螺栓连接是贯穿于水泥墙板内的预埋件的，水泥墙板的浇灌误差较难控制，螺栓在现场实际安装后，末端伸长量差别较大，例如福清核电厂3&4号机组的主设备螺栓拉伸机在供货前的接口测定中，发现部分锚固螺栓末端螺纹长度差别很大（表1），给螺栓拉伸机的使用带来困难。

表1 福清核电厂3&4号机组部分主设备锚固螺栓预紧参数

3）螺栓拉伸机自身工作空间大。为了提供足够动力源，螺栓拉伸机需配备高压液压泵站，其体积较大，在厂房内不宜运输。

4）螺栓拉伸机的长期储存维护成本高。作为高压/超高压液压系统，系统密封性能以及保压性能在长期贮存中不可避免的会出现损失，为了维持其功能，需要定期做试验，并对消耗品例如密封圈、液压软管等进行更换。

综合考虑，尽管液压螺栓拉伸机在目前的核岛厂房主设备螺栓预紧方面应用广泛，却并非完美的解决方案。针对螺栓操作空间狭小的螺栓，可以探讨结构更简单、操作更方便、对空间要求更小的方式，而超级螺母可以解决此类问题。

2 超级螺母的原理及特点

2.1 超级螺母的工作原理

超级螺母是由一个带有多个顶紧螺钉的圆螺母和一个超硬垫圈组成，图2所示。圆螺母是锁紧螺母的本体，也是顶紧螺钉的承载体；顶紧螺钉将扭矩扳手施加在其上的预紧力矩转化为推理；超硬垫圈将顶紧螺钉产生的推力传递到工件表面，同时还对工件表面起到保护作用[3]。

图2 超级螺母结构示意图

实际使用时，超级螺母作为一个整体替代传统螺母：先将超硬垫圈套入工作螺栓接触工件表面，再将圆螺母拧下，接触到超硬垫圈即可。之后通过手动扭矩扳手对称均匀地拧紧顶紧螺钉，直到工作螺栓伸长量达到预定值。

超级螺母的工作原理图3所示。拧紧时，顶紧螺钉将扭矩扳手施加其上的预紧力矩T转化成推力F，多个（N个）顶紧螺钉共同产生的推力NF集中作用于超硬垫圈上，由超硬垫圈传递给工件表面，即为超级螺母提供的预紧力F0：

即 F0=NF（1）

顶紧螺钉的数量容易确定，而顶紧螺钉推力F的确定相对麻烦，一般采用标定的方式。在超级螺母出厂前需进行多次试验，获得顶紧螺钉推力F与顶紧螺钉伸长量ΔL的关系曲线，从而完成对推力F的标定：

F=f（ΔL） （2）

在所需预紧力已知、顶紧螺钉数量N已经明确的情况下，单个顶紧螺钉推力：

F=F0/N（3）

再根据出厂标定获得的F=f（ΔL）倒推出顶紧螺钉的伸长量。现场使用时，只需要控制顶紧螺钉的伸长量ΔL即可获得想要的预紧力：

ΔL=f-1（F0/N）（4）

图3 超级螺母的工作示意图

为了保证多个顶紧螺栓的受力均匀，减少不同步骤预紧的顶紧螺钉相互之间的影响，需合理安排顶紧螺钉的预紧顺序，也可以分步获得需要的预紧力。例如，针对N=8的超级螺栓，一般预紧顺序如图4所示。

图4 N=8的超级螺母顶级螺钉预紧顺序

2.2 超级螺母的优缺点

超级螺母作为一个整体替代了螺母，同时具备预紧功能。通过将一个大螺栓预紧分散成N个小的顶紧螺钉预紧来简化螺栓的预紧操作。相对于利用螺栓拉伸机来预紧螺栓，优势明显：

1）超级螺母对操作空间要求低。由于超级螺母替代了螺母本身，其安装与传统螺母没有太大差别，体积基本一致。对于螺栓操作空间（尤其是工作螺栓轴向的操作空间）要求大大降低。

2）大大降低了实际加载的预紧力。根据式3，实际加载的预紧力分散在N个顶紧螺钉上之后，加载的预紧力减小到1/N，只需取合适的数值N，完全可以利用人力来达到预紧目的，而不需要利用高压液压装备。

3）超级螺母经济性更高。超级螺母超级替代传统螺母，结构简单，其设计和制造成本无疑降低很多。

4）超级螺母后期维护容易。理论上讲，超级螺母几乎不需要后期维护。在出厂前通过对所有螺纹进行润滑剂预涂，一旦顶紧螺钉预紧完成，螺栓的预紧就得以实现。工作螺栓在预紧拉伸时不会产生任何扭转力，而超级螺母自动产生放松保护。即使在静止、交替、冲击负荷状态下仍然保持锁紧状态，终生无需维护。

5）超级螺母的使用可延长工作螺栓的使用寿命。由于顶紧螺钉的推力F是分多次缓慢增长，对工作螺栓产生的拉力也是缓慢增加，减少对螺栓的冲击损伤[3]。同时，工作螺栓在预紧拉伸时承受的是纯轴向力，减少工作螺栓螺纹表面摩擦造成吃面损伤的可能性。

超级螺母作为在有限操作空间内的螺栓预紧手段，在操作空间有限的螺栓预紧上优势明显，但也有不足之处：

1）不能直观体现工作螺栓的预紧力。超级螺母的工作原理决定了，在现场实际控制的是顶紧螺钉的伸长量ΔL。而由本文式（1）（2）可知：

F0=N f（ΔL）

因此ΔL的控制至关重要，同时进过N倍放大后，ΔL的控制误差也就经过了放大，因此F0的控制精度实际受到一定的影响。

2）使用超级螺母预紧会损失一定的工作效率。在理想情况下，操作者在经过培训后使用螺栓拉伸机是方便高效的，只需依次将多个螺栓拉伸器装入螺栓末端，设置合适的预紧力，拉伸螺栓，拧紧工作螺母，然后螺栓复位，工作螺栓的预紧即告完成。在多个螺栓同时预紧的情况下，这种预紧方式无疑是非常高效的。而超级螺母为了利用较小的力获得较大的预紧力，需预紧的螺钉数量其实成N倍放大，因此其工作效率必然降低。更由于单个超级螺母上的N个顶紧螺钉需要按一定顺序进行预紧，同时不同工作螺栓也需要按一定顺序预紧，其操作流程相对繁琐。

3）可能降低预紧效果。单个超级螺母上的N个预紧螺钉之间存在受力不均的可能性，这在一定程度上可能降低超级螺母的预紧效果。

综上所述，超级螺母作为近年来新兴的螺栓紧固方式，在很多方面优势明显，例如可在狭小空间使用、造价低廉、几乎不需要维护等等，但在需要多个螺栓同时预紧的场合，工作效率不高。

3 超级螺母的适用场合

超级螺母能够很好的解决传统螺母在预紧时摩擦力大而造成的有效预紧力难以控制以及预紧力过大的缺点，所以，目前超级螺母已经在各处大型设备固定上开始使用，例如德国海上风电海洋平台的固定即采用了超级螺母MSN-M160，利用36只超级螺母托起20550t的海洋平台，如图5所示。

超级螺母不仅可以为螺栓提供巨大预紧力，同时在螺栓安装空间有限、操作空间狭小的条件下，超级螺母更能适应工作环境。而核岛厂房内有许多螺栓正处于这种工作环境。

核岛厂房内几大主设备与厂房主体的连接基本采用螺栓连接，例如稳压器支承裙和预埋件的联接、蒸汽发生器垂直支腿和楼板的连接、蒸汽发生器阻尼器支座和预埋件的联接、蒸汽发生器横向支承和墙体的连接、主泵垂直支承和楼板的连接、主泵阻尼器支座和预埋件的连接等。这些螺栓不仅要保证核电厂正常运行情况下主设备和厂房的连接可靠，还要抵御可能出现的地震等突发情况。因此其预紧力大，可靠性要求高。在以往的核电项目中，由于周围空间结构限制，螺栓拉伸机极易与周围环境结构发生干涉，例如已经并网发电的福清核电厂1&2号机组和正在建设中的3&4号机组，均出现过由于土建施工误差或者螺栓安装误差造成的主泵阻尼器锚固螺栓拉伸机无法使用的情况，最终需要多个部门协调，花费大量人力物力来解决问题。

上文所述这些联接部位，每一处螺栓均为4个一组，这就满足使用超级螺母的前提。利用超级螺母代替传统螺母之后，可以利用原有的螺母安装空间，对周围空间要求降低，减少干涉问题产生。

4 结论

本文经过对比液压螺栓拉伸机与超级螺母的使用原理及优缺点，提出了在核岛厂房内主设备锚固螺栓上采用超级螺母来替代传统的螺母+螺栓拉伸机的预紧方式，不仅能够适应厂房内严苛的工作环境，同时也具备良好的经济型，而且从长期的维护保存上考虑，也更简便易操作。

【参考文献】

[1]李文华，潇然，张河新.螺栓拉伸器的原理及应用[J].哈尔滨轴承，2006，3：50-51.

[2]叶盛，李龙，胡旭馗.螺栓拉伸器的原理及应用[J].设备管理与维修，189-191.

[3]孔彦杰，曾令琴，王慧楠，冯晓磊.剖分式磨机大齿圈用超级螺母的预紧力控制[J].矿山机械，2015，2：76-80.

[责任编辑：杨玉洁]