乏燃料运输容器螺栓预紧力矩确定方法

郑岳山+秦玮+李云华

【摘 要】根据乏燃料运输容器的法规及设计要求，对容器盖螺栓在各工况下所受的载荷进行了分析。并通过合理的工况组合，得出了螺栓所受最大载荷，从而确定了螺栓的预紧力。并通过对扭矩系数的分析，得出了适用于乏燃料运输容器的预紧扭矩的计算方法。

【关键词】螺栓；预紧力；扭矩系数；乏燃料运输容器

0 引言

对于乏燃料物运输容器来说，螺栓连接有可能是其包容系统的薄弱环节。螺栓结构的完整性依赖于其数量、强度以及螺栓预紧力。对于一个特定的容器，其螺栓数量及强度都是确定的。对于螺栓连接来说，其功能是由恰当的螺栓预紧力来保证的。螺栓预紧力的分析及控制会有效提高容器的安全性能。而在实际操作中，控制螺栓的预紧力的直接参数为预紧力矩。可见，确定螺栓预紧力与螺栓预紧力矩之间的关系是保证螺栓实现其预紧功能的重要前提。下文将对螺栓预紧力的分析，以及预紧力矩的确定进行阐述。

1 运输容器螺栓分析

螺纹连接根本目的是利用螺纹紧固件将被连接件可靠地连接在一起，装配预紧就是要将螺栓的轴向预紧力控制在适当的范围。对于实际工程连接中的螺栓，轴向预紧力的最小值是由螺栓结构的连接功能决定的，该最小值必须能满足在工作过程中符合连接件的功能要求。轴向预紧力的最大是由螺栓结构和被连接件的材料强度决定的，这个最大值必须能够保证在预紧和工作过程中螺栓结构及被连接件不会发生破坏。恰当的螺栓预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。

本文以典型结构的运输容器为研究对象，立式圆柱形筒体，上封头为平盖结构，螺栓周向均布于容器盖并拧入筒体上部法兰中，容器盖与筒体间装有密封圈（见图1）。此容器的螺栓功能是保证在容器在正常和事故工况下包容性能不被破坏。

从图中可知，容器盖与筒体为金属面直接接触，当容器盖承受载荷而有弯曲倾向时，容器盖与筒会产生相对的转动。此转动会对螺栓产生拉力及弯矩，对此拉力和弯矩组合的分析是较为困难的。经研究表明此拉力和弯矩的耦合性不大，分别对拉力及弯矩进行分析可以满足实际情况的要求。而对此拉力及弯矩的研究表明，在螺栓的设计及分析中应注意以下两点：

1）增加容器盖的厚度和刚度能显著降低螺栓拉力和弯矩的影响。

2）最大拉力通常发生在施加载荷等于预紧力时，所以预紧力必须从关键载荷中分别出来，以降低拉力产生的负面效应。

2 螺栓预紧力载荷分析

螺栓分析中应考虑以下几种载荷：轴向拉力，横向剪切力，弯矩及扭矩。轴向拉力是螺栓的主应力，几乎所有载荷及变形都会产生拉应力。其次是螺栓扭矩，主要通过螺栓预紧所产生。横向剪切力一般通过容器结构保护，可以忽略其作用。在分析螺栓所需预紧力时，主要是考虑螺栓所受的轴向拉力。

乏燃料运输容器的螺栓轴向载荷应考虑以下五种载荷：

1）密封圈产生的载荷

3）冲击载荷

根据GB 11806的要求，乏燃料运输容器需进行9m跌落分析。9m跌落又分为垂直跌落、角跌落及水平跌落等多个姿态。角跌落及水平跌落时部分或全部冲击载荷转化为螺栓的横向剪切载荷，只有当容器垂直姿态跌落时冲击载荷全部转化为轴向拉力。在分析冲击载荷对螺栓产生的最大轴向拉力载荷时，应取容器垂直跌落且容器顶部着地的姿态。此时保守考虑内容物以最大加速度ad冲击容器盖（见图3），容器盖也以最大加速度ad產生于筒体分离的趋势。作用在螺栓上的拉力公式为：

4）贯穿载荷

根据GB 11806的要求，乏燃料运输容器需进行1m贯穿分析。由于1m贯穿的靶件长度为200mm，乏燃料运输容器端部都设有减震器，减震器有足够的厚度，所以端部1m贯穿不会使得靶件穿透至容器盖。由于端部1m贯穿工况的加速度远小于9m端部跌落工况下的加速度，所以1m贯穿工况产生的冲击载荷小于9m端部跌落工况下的冲击载荷。同样，其它角度贯穿工况产生的冲击载荷也都小于对应角度9m跌落工况的载荷。由于GB 11806中不要求1m贯穿工况和9m跌落工况叠加，所以在考虑预紧力时可以保守考虑冲击载荷较大的9m跌落，而不需考虑1m贯穿工况。

5）由温度变化产生的载荷

螺栓连接处及相关零件受热不均匀膨胀会对螺栓产生相应的载荷。螺栓连接处的不均匀温度差、热膨胀系数差都会引起零件的膨胀差。通常乏燃料运输容器螺栓连接的零件材质相似或相同且传热效果较好，温度载荷对螺栓的影响不显著。温度载荷不会与跌落或贯穿载荷叠加，所以在预紧力的分析中可以将其忽略。

通过上述分析，为了保证乏燃料运输容器能够满足GB11806的要求，螺栓的预紧力Fpre应由密封圈产生的载荷For，压力产生的载荷Fpress以及9m端部跌落产生的载荷Fd组成，即：

3 螺栓预紧力矩的确定

在螺栓尺寸和预紧力确定的情况下，预紧力矩取决于扭矩系数。可见扭矩系数反映了螺栓轴向预紧力与预紧扭矩的关系，它包括了预紧力矩和预紧力之间关系的一切影响因素。影响扭矩系数的因素有两个：首先是紧固件的几何形状，螺栓相当于一种“螺旋上升平面”，因此几何形状影响了整个螺纹连接中力的分布情况；其次是摩擦系数，摩擦系数越低则扭矩转化为预紧力的比例越高。

获取扭矩系数有三种方法：

1）查表法，不同接触表面的参考预紧力矩系数见表1[3]。

2）试验测定法，根据GB/T1231-2006的规定，按批抽取8套连接副，检验并计算其扭矩系数，扭矩系数标准偏差应小于等于0.010。

综合对比以上三种方法：查表法所得到的扭矩系数往往不够精确，在工程应用上不予推荐；试验测定法对于一般的高强螺栓螺母联接较为适用，对于乏燃料运输容器这种特殊形式的螺栓法兰联接还有待进一步研究；公式法能够计算出较为保守的扭矩系数，推荐用于确定乏燃料运输容器的螺栓扭矩系数。

4 结论

通过本文对乏燃料运输容器螺栓预紧力分析表明，应考虑9米端部跌落、密封圈载荷以及内压载荷叠加产生的拉力，螺栓最小预紧力应不小于上述拉力组合才能保证螺纹结构的安全性能。确定了预紧力后，应通过公式法进行计算确定扭矩系数。从而得出为保证乏燃料运输容器螺栓安全性能的预紧扭矩，为容器的安全运行提供了保障。

【参考文献】

[1]ASME锅炉和压力容器规范 附录E，The American society of Mechanical Engineers，2013.

[2]GB10086 放射性物质安全运输规程[S].2004.

[3]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2003.

[责任编辑：田吉捷]