反应堆压力容器主螺栓拉伸装置设计及有限元的思考

赵亚明

江苏核电有限公司222042

摘要：反应堆压力容器主螺栓拉伸装置在核反应堆压力容器密封中发挥着较为重要的作用。主螺栓拉伸装置的设计要求与压力容器和主螺栓结构特点之间存在着较为密切的联系。本文主要从反应堆压力容器主螺栓拉伸装置的设计要求入手，对拉伸机中的关键部件进行了有限元分析。

关键词：反应堆压力容器；主螺栓拉伸装置；有限元分析

前言：核电技术的发展，给核电机组和保障技术的先进性和安全性提出了较为严格的要求。在核工业领域，反应堆压力容器可以被看作是核安全纵深防御系统中的重要屏障。为避免放射性物质泄露问题的出现，反应堆压力容器需要拥有在各种工况下维持结构完整性的能力。与反应堆压力容器有关的主螺栓拉伸装置研究工作的开展，对我国核电事业的发展有着积极的促进作用。

1、反应堆压力容器主螺栓拉伸装置设计要求

1.1拉伸器的功能要求

拉伸器是主螺栓拉伸装置中的重要功能部件，包含了拉伸组件、液压驱动装置、拉伸芯杆和主螺母操作组件等多种设备[1]。同普通工业领域所使用的液压拉伸设备相比，应用于核工业领域的拉伸器对输出力的要求要高于普通工业领域所使用的拉伸设备。核工业领域的拉伸设备在结构领域也表现出了一定的复杂性。从核电厂设备的实际运行情况来看，相关人员需要为不同的核反应堆配备不同的拉伸设备。在一般情况下，40至60组分布的主螺栓是反应堆压力容器密封的主要元件。例如在核工业领域所常用的310机组之中，反应堆压力容器使用58根主螺栓，紧固件之间的空间较为紧凑。在保证拉伸功能的基础上，对主螺栓拉伸机结构进行优化和改进，可以确保拉伸系统输出力的持续、可靠。主螺栓拉伸机结构研究也成为了主螺栓拉伸装置性能的主要研究方向。螺母自动松紧、控制系统的设计可靠性也是螺栓拉伸机设计中不可忽视的内容。

1.2拉伸器的拉伸力要求

一些学者的研究结果表明，在拉伸机卸载以后，主螺栓的回弹损耗约为18%。从核电工业领域的实际情况来看，反应堆压力容器主螺栓在长期未拆卸的情况下出现锈蚀、主螺栓长期处于拉伸状态下力学性能发生改变及使用不同的润滑脂都会使主螺栓拆卸过程中的拉伸力有所变化。相关研究表明，如果反应堆压力容器中使用的主螺栓的实际工作拉伸力为299.6t，在主螺栓出现锈蚀问题以后，拆卸过程中的拉伸力可以达到329.6t。因而在拉伸机的设计环节，需要综合考虑上述问题可能引起的拉伸力变化。

1.3主螺栓拉伸装置设计

主螺栓拉伸装置设计工作涉及到拉伸机的结构设计和控制系统的建构等内容。拉伸机的结构设计重点体现在螺栓拉伸机与主螺栓的可靠连接，拉伸力的输出与控制，主螺栓拉伸量的控制等。旋转机构通常采用电机驱动和齿轮传动结构。与之相关的控制系统主要有气动回路控制系统、液压回路控制系统和电机控制系统。这一系统需要为旋转机构的正转、反转和紧急制动能力提供保障。

2、主螺栓拉伸装置关键部件的有限元分析

现阶段主流主螺栓拉伸机主要分为两种形式，整体式拉伸机和分体式拉伸机。出于提升工作效率的考虑，核电站通常会采用整体式拉伸机来进行反应堆开扣盖。整体拉伸技术在主螺栓装卸操作过程中的应用，也可以为主螺栓的受力均匀性和可靠性等因素提供保障。针对反应堆堆型结构的特殊要求，个别核电厂使用分体式拉伸设备进行螺栓拆装和拉伸。分体式拉伸设备数量根据主螺栓数量不同。可拉伸芯杆有限元分析和支撑桥有限元分析是主螺栓拉伸装置关键部件有限元分析的主要内容。

2.1拉伸芯杆分析

拉伸芯杆是拉伸器中的重要受力部件。基于ANSYS技术的强度校核方法是拉伸芯杆有限元分析中所使用的主要强度校核方法。在现有的主螺栓拉伸设备之中，拉伸芯杆的材料密度通常为7850kg/m；其弹性模量可以达到2.0E11Pa；屈服强度和抗拉强度分别为1275MPa和1620MPa。SOLID186是拉伸芯杆有限元模型建构过程中所不可缺少的元素，与之相关的网格节点数为634670。下图所示的内容为拉伸芯杆的有限元分析模型：

图1拉伸芯杆有限元模型

在上述模型之中，拉伸芯杆的长度为527E-4m；密度为7850kg/m；弹性模量为2.0E11Pa；屈服强度和抗拉强度分别为1275PMPa和1620MPa；拉伸芯杆底部的大端螺纹需要与主螺栓相连接，此时顶部螺纹端所承受的液压缸拉力值可以达到300t。在有限元分析阶段，拉伸芯杆底部的大端螺纹扣可以被假定为固定约束，此时可以在拉伸芯杆的顶部螺纹端施加360t拉力，并在施加压力以后，对拉伸芯杆的变形情况进行分析，根据有限元分析计算结果，在顶部螺纹端施加360t拉力以后，拉伸芯杆的最大拉伸量可以达到6.86E-4m，伸长率可以达到1.3%。拉伸芯杆在危险截面处的应力强度小于材料的抗拉强度，因而主螺栓拉伸装置在刚度和强度方面均满足设计要求。刚度计算是判断拉伸芯杆是否满足刚度要求的重要因素。在对拉伸芯杆进行拉长处理以后，此时的伸长率为6.86/5.27X100%=1.3%，伸长率计算结果表明。拉伸芯杆满度刚度要求。由于研究过程中所构建的模型为塑性材料模型，故而在强度分析方面，研究者可以借助第三强度理论进行分析，根据对拉伸芯杆的强度变化情况，拉伸芯杆危险截面处的应力强度为514Mpa，小于材料的抗拉强度，故而其强度满足要求。

2.2支撑桥分析

支撑桥是反应堆压力容器拉伸机中的重要受力部件，反应堆压力容器主螺栓拉伸装置的支撑桥分析涉及到了支撑桥的强度校核和最小厚度等因素[2]。下图所示的内容为支撑桥的有限元模型图：

图2有限元分析模型图

在支撑桥的设计计算环节，选择的材料为35CrMoV合金钢，支撑桥的有限元模型的网格类型为SOLID186，网格单元数为80957。在有限元分析环节，支撑桥底面同样需要施加固定约束，顶面施加的外载荷为360t。在边界条件分析方面，相关人员在计算过程中，需要为支撑桥底面施加固定约束。在施加固定约束以后，支撑桥最大应力为314MPa。顶盖法兰面承受的最大压强可以用Pmax=F/S这一公式计算，其中，Pmax为最大压强，F为拉伸机的最大拉伸力，S为支撑桥的截面积。在前文所论述的模型之中，拉伸机最大拉伸力为3.6X106N，支撑桥横截面积为1.62X10-2m2。顶端材料的屈服强度在500Mpa以上，因而从有限元分析结构来看，在顶盖材料屈服强度高于500MPa的情况下，拉伸设备不会给顶盖法兰面带来损伤。

结论：主螺栓拉伸装置的结构设计合理性和可靠性是螺栓拉伸机安全、可靠应用的基础。在主螺栓拉伸装置结构设计方面，设计人员要确保设计结构的合理、可靠和人性化，为超高压密封的可靠性和操作便捷提供保障。在电气液压控制系统设计方面，装置的安全性、螺栓预紧力的均匀性和精确性等内容是保证螺栓拉伸机可靠应用的前提。

参考文献：

[1]文小军,隆涛,丁然,袁和川,杨建.反应堆压力容器主螺栓拉伸装置设计及有限元分析[J].机械,2017,44(04):35-41.

[2]王炳炎,段春辉,穆伟,粟敏,邓静.核用小型主螺栓拉伸器液压驱动装置设计及优化[J].科技视界,2014，(13):309-311.