CPR1000反應(yīng)堆壓力容器主螺栓預(yù)緊過(guò)程分析

CPR1000反應(yīng)堆壓力容器主螺栓預(yù)緊過(guò)程分析

胡大芬，劉剛，王春發(fā)

（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳518172）

論述并分析了采用單體螺栓拉伸機(jī)預(yù)緊CPR1000反應(yīng)堆壓力容器主螺栓的過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上對(duì)比分析了各組主螺栓在同一拉伸階段使用相同拉伸載荷和使用不同拉伸載荷兩種預(yù)緊方式對(duì)主螺栓殘余預(yù)緊載荷分布的影響，結(jié)果表明：預(yù)緊后面的主螺栓會(huì)對(duì)已預(yù)緊的主螺栓產(chǎn)生卸載影響；隨著對(duì)各主螺栓的進(jìn)一步拉伸，各主螺栓殘余預(yù)緊載荷的均勻性和離散度會(huì)更好；采用對(duì)各組主螺栓在同一拉伸階段使用不同拉伸載荷的預(yù)緊方式，其主螺栓殘余預(yù)緊載荷的均勻性和離散度均要優(yōu)于使用相同拉伸載荷預(yù)緊方式的對(duì)應(yīng)值，且其最終需進(jìn)行殘余預(yù)緊載荷調(diào)整的主螺栓數(shù)量明顯減少。

反應(yīng)堆壓力容器；主螺栓；預(yù)緊；殘余預(yù)緊載荷；均勻性

0　引言

反應(yīng)堆壓力容器（RPV）是核電站核島一回路冷卻劑系統(tǒng)的重要壓力邊界，是核電站的核心設(shè)備之一［1］，CPR1000堆型的RPV由頂蓋組件、容器組件和主螺栓緊固組件組成，并通過(guò)兩道C型密封環(huán)實(shí)現(xiàn)其密封，頂蓋法蘭、C型密封環(huán)、容器法蘭和主螺栓緊固件等構(gòu)成了一個(gè)法蘭螺栓連接系統(tǒng)（見圖1）。RPV的密封性是保證核電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一［2-3］，而主螺栓的預(yù)緊過(guò)程、最終殘余預(yù)緊載荷大小以及其均勻性是保證RPV密封性能的重要前提［4］。

圖1　CPR1000 RPV法蘭螺栓連接系統(tǒng)

受RPV主螺栓數(shù)量較多、螺栓拉伸機(jī)數(shù)量的限制以及因整體螺栓拉伸機(jī)（即一次可以實(shí)現(xiàn)全部主螺栓被同時(shí)拉伸的設(shè)備）故障不可使用等因素影響，需采用單體螺栓拉伸機(jī)（即一次僅能對(duì)1個(gè)主螺栓進(jìn)行拉伸的設(shè)備）對(duì)主螺栓進(jìn)行分階段、分步拉伸預(yù)緊［5］。國(guó)內(nèi)對(duì)一般高壓容器螺栓的分階段、分步預(yù)緊研究較多［5-7］，但對(duì)采用單體螺栓拉伸機(jī)拉伸操作的RPV主螺栓分階段、分步預(yù)緊的研究較少［8-10］。

本文將對(duì)采用單體螺栓拉伸機(jī)拉伸操作的CPR1000 RPV主螺栓預(yù)緊過(guò)程進(jìn)行論述，并結(jié)合RPV水壓試驗(yàn)時(shí)主螺栓各拉伸階段的操作數(shù)據(jù)，對(duì)主螺栓預(yù)緊過(guò)程進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)比討論各組主螺栓在同一拉伸階段使用相同拉伸載荷和使用不同拉伸載荷兩種預(yù)緊方法對(duì)主螺栓殘余預(yù)緊載荷的影響，為國(guó)內(nèi)其他堆型RPV主螺栓的分階段、分步拉伸提供參考。

1　反應(yīng)堆壓力容器主螺栓的單體拉伸預(yù)緊過(guò)程

CPR1000 RPV共有58個(gè)M155mm×4mm主螺栓（材料為40NCDV7.03），為了直觀地顯示各主螺栓的殘余預(yù)緊載荷是否滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)控制主螺栓剩余拉伸量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)主螺栓殘余預(yù)緊載荷的控制。主螺栓剩余拉伸量計(jì)算公式如下:

式中ΔL——主螺栓的剩余拉伸量，mm

F——單根主螺栓的殘余預(yù)緊載荷，N，F(xiàn)=5.11×106N

L——計(jì)算主螺栓剩余拉伸量的有效長(zhǎng)度，mm，L=1047mm

E——主螺栓材料的彈性模量，MPa，E=2.04×105MPa

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)值越限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄越限報(bào)警前后各若干分鐘的原始數(shù)據(jù)，并記錄報(bào)警事件，同時(shí)還會(huì)在監(jiān)測(cè)畫面上以醒目的方式進(jìn)行提示。此記錄能在事件日志中瀏覽查詢和分析，并且推送和發(fā)布到所有運(yùn)行中的監(jiān)測(cè)客戶端，Web服務(wù)器的客戶端會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，提醒運(yùn)行人員或?qū)I(yè)檢修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并及時(shí)處理。

A——主螺栓的最小橫截面積，mm2，A=1.72×104mm2

根據(jù)設(shè)計(jì)最小值要求并考慮單體螺栓拉伸機(jī)的拉伸精度，主螺栓剩余拉伸量工程要求值為1.51～1.61mm。

主螺栓內(nèi)部有一中心孔，放置用于測(cè)量主螺栓剩余拉伸量的伸長(zhǎng)測(cè)量桿（見圖2）。在主螺栓拉伸前，將測(cè)量?jī)x表放置在主螺栓頂部，先測(cè)量得到伸長(zhǎng)測(cè)量桿頂部端面至主螺栓頂部端面的初始距離Z0；在主螺栓每一次拉伸結(jié)束后，使用相同測(cè)量?jī)x表再次測(cè)量得到伸長(zhǎng)測(cè)量桿頂部端面至主螺栓頂部端面的距離Z1，則該次主螺栓拉伸結(jié)束后的對(duì)應(yīng)剩余拉伸量即為Z1-Z0。

圖2　主螺栓與伸長(zhǎng)測(cè)量桿裝配示意

為保證主螺栓載荷的均勻性和可靠性，設(shè)計(jì)上要求RPV主螺栓的拉伸分3個(gè)階段進(jìn)行（即分階段拉伸），并外加一個(gè)調(diào)整拉伸階段，即為保證RPV密封性能，需對(duì)最終剩余拉伸量不滿足設(shè)計(jì)要求的主螺栓進(jìn)行調(diào)整拉伸，如圖3所示。由于單體螺栓拉伸機(jī)數(shù)量的限制，需要將58個(gè)主螺栓分成15組進(jìn)行分步拉伸，RPV主螺栓的編號(hào)及預(yù)緊分組情況如圖4所示（采用4部單體螺栓拉伸機(jī)對(duì)主螺栓進(jìn)行拉伸），并依次對(duì)第1～15組主螺栓進(jìn)行逐組拉伸（即分步拉伸）。

圖3　RPV主螺栓拉伸預(yù)緊步驟

圖4　RPV主螺栓的編號(hào)及分組情況

2　反應(yīng)堆壓力容器主螺栓分階段分步預(yù)緊過(guò)程分析

為了更好地對(duì)RPV主螺栓分階段、分步預(yù)緊過(guò)程進(jìn)行分析，在RPV水壓試驗(yàn)時(shí)分別采用了在同一拉伸階段使用相同拉伸載荷和使用不同拉伸載荷兩種方式對(duì)各組主螺栓進(jìn)行預(yù)緊，獲得了上述兩種預(yù)緊方式下，主螺栓在不同拉伸階段的剩余拉伸量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文將結(jié)合上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)主螺栓采用單體螺栓拉伸機(jī)分階段、分步預(yù)緊過(guò)程進(jìn)行分析。

2.1兩種預(yù)緊方式定義

同一拉伸階段、使用相同拉伸載荷的預(yù)緊方式，是指采用單體螺栓拉伸機(jī)對(duì)各組主螺栓在同一拉伸階段逐組施加相同的拉伸載荷。同一拉伸階段、使用不同拉伸載荷的預(yù)緊方式是指采用單體螺栓拉伸機(jī)對(duì)各組主螺栓在同一拉伸階段逐組施加不同的拉伸載荷（注:同一組中的4個(gè)主螺栓的拉伸載荷仍相同）。

圖5　前3組主螺栓在預(yù)緊過(guò)程中剩余拉伸量的變化

由圖5可以看出，在先后預(yù)緊第2～4組主螺栓的過(guò)程中，已預(yù)緊的第1組主螺栓剩余拉伸量會(huì)逐漸變小，且遞減趨勢(shì)逐漸變?nèi)酰煌瑯?，在先后預(yù)緊第3～4組主螺栓的過(guò)程中，已預(yù)緊的第2組主螺栓剩余拉伸量也會(huì)逐漸減小，這說(shuō)明預(yù)緊后面主螺栓時(shí)會(huì)使得已被預(yù)緊主螺栓的剩余拉伸量發(fā)生變化，且會(huì)使其剩余拉伸量變小。

圖6　各組主螺栓在兩種狀態(tài)下的剩余拉伸量測(cè)量值及變化量

如圖6所示，其曲線3上各點(diǎn)的值為曲線1與曲線2相應(yīng)點(diǎn)的縱坐標(biāo)之差，該曲線代表了某組主螺栓從其預(yù)緊完成后至所有主螺栓組預(yù)緊完成后這一過(guò)程中，其剩余拉伸量累積減小量的變化。由圖6可以看出，第1組主螺栓剩余拉伸量累積減小量最大，第15組相應(yīng)值最小，并呈遞減趨勢(shì)，即越先被預(yù)緊的主螺栓組受到其后面主螺栓組預(yù)緊載荷的影響就越大，其剩余拉伸量減小得更多，反之影響越小。

因此，在對(duì)主螺栓進(jìn)行分階段、分步拉伸時(shí)，拉伸預(yù)緊后面的主螺栓時(shí)會(huì)對(duì)前面已被拉伸預(yù)緊的主螺栓有一卸載作用，且越靠后、已預(yù)緊的主螺栓組受到其后面主螺栓組預(yù)緊載荷的影響就越小。這是因?yàn)榉ㄌm螺栓連接系統(tǒng)并不是一個(gè)完全的剛性體，在主螺栓拉伸載荷的作用下，該系統(tǒng)的頂蓋法蘭、C形密封環(huán)、容器法蘭等會(huì)產(chǎn)生一定的彈性變形，從而導(dǎo)致拉伸預(yù)緊后面的主螺栓時(shí)會(huì)對(duì)前面已被拉伸預(yù)緊的主螺栓有卸載作用，而隨著主螺栓組的逐步預(yù)緊，頂蓋法蘭、C形密封環(huán)、容器法蘭等的彈性變形空間會(huì)逐漸變小，連接系統(tǒng)的剛度會(huì)變得越來(lái)越大，此時(shí)主螺栓組間預(yù)緊載荷的相互影響就會(huì)逐漸變小。

2.3主螺栓不同拉伸階段的殘余預(yù)緊載荷均勻性變化趨勢(shì)分析

在預(yù)緊RPV主螺栓過(guò)程中，至少需經(jīng)歷3個(gè)拉伸階段才能使主螺栓最終剩余拉伸量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用同一拉伸階段、施加不同拉伸載荷預(yù)緊方式的各組主螺栓，在各拉伸階段所有主螺栓完成預(yù)緊后所測(cè)量的剩余伸長(zhǎng)量如圖7所示，主螺栓剩余拉伸量（即主螺栓殘余預(yù)緊載荷）在各拉伸階段的不均勻度和離散度如表1所示。

圖7　各拉伸階段的主螺栓剩余拉伸量測(cè)量值

表1　主螺栓剩余拉伸量在各拉伸階段的不均勻度和離散度

由圖7和表1可以看出，從主螺栓第一拉伸階段到第三拉伸階段，主螺栓殘余預(yù)緊載荷的不均勻度和離散度的值越來(lái)越小，這說(shuō)明隨著對(duì)各主螺栓的逐步拉伸，主螺栓殘余預(yù)緊載荷分布的均勻性越來(lái)越好，這樣就越有利于反應(yīng)堆壓力容器的密封。

因RPV法蘭螺栓連接系統(tǒng)并非完全的剛性體，在螺栓預(yù)緊載荷作用下，頂蓋法蘭、C形密封環(huán)、容器法蘭等會(huì)產(chǎn)生一定的彈性變形，在初始拉伸階段這種彈性變形量較大，拉伸預(yù)緊后面的主螺栓對(duì)前面已被拉伸的主螺栓的卸載作用影響也較大，使得各主螺栓殘余預(yù)緊載荷間的差值也偏大，而隨著對(duì)主螺栓的進(jìn)一步拉伸，法蘭螺栓系統(tǒng)各部件的彈性變形空間逐漸變小，法蘭連接系統(tǒng)剛度隨之增大，使得各主螺栓殘余預(yù)緊載荷分布的均勻性越來(lái)越好。

2.4主螺栓預(yù)緊過(guò)程中拉伸載荷施加方式對(duì)其殘余預(yù)緊載荷均勻性的影響分析

如第2.3節(jié)所述，RPV法蘭螺栓連接系統(tǒng)的初始剛度最小，其對(duì)主螺栓第一拉伸階段的預(yù)緊影響最大，且連接系統(tǒng)本身是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其對(duì)主螺栓預(yù)緊的影響機(jī)理也很復(fù)雜。為更好地對(duì)比說(shuō)明各組主螺栓在同一拉伸階段使用相同拉伸載荷和使用不同拉伸載荷兩種預(yù)緊方式對(duì)主螺栓殘余預(yù)緊載荷分布的影響，盡量減弱系統(tǒng)剛度對(duì)主螺栓預(yù)緊影響的不確定性，在此僅對(duì)采用上述兩種預(yù)緊方式的主螺栓第二和第三拉伸階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

各組主螺栓采用上述兩種預(yù)緊方式在第二、第三拉伸階段的預(yù)緊載荷大?。ㄖ豢紤]預(yù)緊載荷設(shè)定值）如圖8所示，其對(duì)應(yīng)的各主螺栓剩余伸長(zhǎng)量和其不均勻度、離散度分別如圖9和表2所示。

圖8　兩種預(yù)緊方式在第二和第三拉伸階段的預(yù)緊載荷大小

圖9　兩種預(yù)緊方式下主螺栓在第二和第三拉伸階段的剩余拉伸量

表2　兩種預(yù)緊方式下的主螺栓剩余拉伸量在第二和第三拉伸階段的不均勻度和離散度

由圖9和表2可知，采用對(duì)各組主螺栓在同一拉伸階段施加不同拉伸載荷的預(yù)緊方式，在各拉伸階段其主螺栓剩余拉伸量的不均勻度和離散度，均要低于采用另一種預(yù)緊方式（即采用對(duì)各組主螺栓在同一拉伸階段施加相同拉伸載荷的預(yù)緊方式）的對(duì)應(yīng)值，即其主螺栓殘余預(yù)緊載荷的均勻性要優(yōu)于后一種預(yù)緊方式。另外，由圖9可知，在經(jīng)歷3個(gè)拉伸階段后，為保證各主螺栓剩余伸長(zhǎng)量滿足設(shè)計(jì)要求，采用前一種預(yù)緊方式所需調(diào)整的主螺栓數(shù)量要遠(yuǎn)小于后一種預(yù)緊方式的對(duì)應(yīng)值。

因此，對(duì)各組主螺栓在同一拉伸階段采用不同拉伸載荷，即對(duì)先預(yù)緊的主螺栓組施加更大些的預(yù)緊載荷，使其主螺栓初始?xì)堄囝A(yù)緊載荷大一些，這樣可部分抵消因拉伸預(yù)緊后面的主螺栓會(huì)對(duì)前面已被拉伸預(yù)緊的主螺栓產(chǎn)生卸載作用所帶來(lái)的影響，從而在某拉伸階段所有主螺栓被拉伸完成后主螺栓殘余預(yù)緊載荷的分布更均勻，最終需調(diào)整的主螺栓數(shù)量也變少。

所以，在采用單體螺栓拉伸機(jī)拉伸預(yù)緊主螺栓時(shí)，可對(duì)各組主螺栓在同一拉伸階段施加不同拉伸載荷，以此來(lái)提高主螺栓殘余預(yù)緊載荷的分布均勻性，并且還能夠減少最終需進(jìn)行殘余預(yù)緊載荷調(diào)整的主螺栓數(shù)量，有效縮短整個(gè)主螺栓的拉伸時(shí)間。

3　結(jié)論

論述了采用單體螺栓拉伸機(jī)拉伸操作的CPR1000 RPV主螺栓預(yù)緊過(guò)程，并結(jié)合RPV水壓試驗(yàn)時(shí)主螺栓各拉伸階段的操作數(shù)據(jù)，對(duì)主螺栓預(yù)緊過(guò)程進(jìn)行了分析，同時(shí)在此基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了各組主螺栓在同一拉伸階段、使用相同拉伸載荷和使用不同拉伸載荷兩種預(yù)緊方式對(duì)主螺栓殘余預(yù)緊載荷的影響，主要結(jié)論如下:

（1）在對(duì)主螺栓進(jìn)行分階段、分步拉伸時(shí)，拉伸預(yù)緊后面的主螺栓時(shí)會(huì)對(duì)前面已預(yù)緊的主螺栓產(chǎn)生卸載作用，即使其殘余預(yù)緊載荷減小，且越靠后已預(yù)緊的主螺栓組受到其后面主螺栓組預(yù)緊載荷的影響就越??；

（2）隨著對(duì)各主螺栓的逐步拉伸，即隨著拉伸階段的發(fā)展（指從第一拉伸階段到第三拉伸階段），主螺栓殘余預(yù)緊載荷分布的均勻性會(huì)越來(lái)越好；

（3）采用對(duì)各組主螺栓在同一拉伸階段、使用不同拉伸載荷的預(yù)緊方式，其主螺栓殘余預(yù)緊載荷均勻性要優(yōu)于對(duì)各組主螺栓在同一拉伸階段、使用相同拉伸載荷預(yù)緊后的對(duì)應(yīng)值，并且其最終需進(jìn)行殘余預(yù)緊載荷調(diào)整的主螺栓個(gè)數(shù)也明顯減少，有效縮短了整個(gè)主螺栓的拉伸時(shí)間。

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Pre-tightening Process Analysis of Stud for CPR1000 Reactor Pressure Vessel

HU Da-fen，LIU Gang，WANG Chun-fa
（China Nuclear Power Design Co.，Ltd.（Shenzhen），Shenzhen 518172，China）

The pre-tightening process of stud for CPR1000 reactor pressure vessel using single stud tensioningmachine for pre-tightening operation was described and analyzed.Based it，the influence on the stud residual pre-tightening load distribution of two pre-tightening ways of using the same tensile load and different tensile load on each stud group in the same tensioning phase was analyzed.The results showed as follows:Pre-tightening latter studswould produce unloading influence on tightened studs.With further tensioning of each stud，the residual pre-tightening force uniformity and dispersion degree of the stud would be better.The stud residual pre-tightening load uniformity and dispersion degree of using the same tensile load on each stud group in the same tensioning phase are better than thatof using different tensile load on each stud group in the same tensioning phase.And the stud amountof needing to adjust final residual pretightening load reduces obviously.

reactor pressure vessel；stud；pre-tightening；residual pre-tightening load；uniformity

TH49；TL351；TH131

A

1001-4837（2015）11-0006-06

10.3969/j.issn.1001-4837.2015.11.002

2015-09-08

2015-10-30

胡大芬（1986-），男，工程師，主要從事反應(yīng)堆壓力容器設(shè)計(jì)工作，通信地址:518172廣東省深圳市龍崗區(qū)黃閣北路天安數(shù)碼城5棟2002室，E-mail:hudafen@ cgnpc.com.cn。