不锈钢泵壳螺栓预紧研究

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核电不锈钢泵壳在水压试验时，密封装置由泵壳主法兰密封装置和进出口密封装置组成。本文以泵壳主法兰密封为研究对象，其密封装置主要由 1道缠绕式密封垫、24个主螺栓及相应的 24个主螺母、垫圈组成。泵壳出厂前水压试验压力为 22.7MPa，为保证缠绕式密封垫的密封性能，并节约制造成本，采用分体式螺栓拉伸器对 24根主螺栓进行分级分组预紧，使每个螺栓承受载荷均匀。

1结构描述不锈钢泵壳主法兰水压试验密封装置如图 1所示。

王螺母垫匿三螺栓、 试压盖板图 1不锈铜泵壳主法兰水压试验密封装置2螺栓预紧工艺技术难点分析2.1预紧后螺栓载荷存在偏差螺栓分级预紧后测量每根螺栓预紧力，存在以下两种不满足要求的情况：在预紧力不够的情况下，螺栓还需要再次进行预紧使其达到应有的预紧载荷；在预紧力过大的情况下，还可能采取-定的卸载操作。这两种情况均给预紧工作带来大量不必要的重复性工作。造成此问题的主要原因如下：(1)螺栓拉伸器由于管路连接系统存在阻力以及拉伸器内部密封件的摩擦力等因素使得作用在螺栓上的实际载荷要小于拉伸器的名义载荷，即拉伸器存在-定的拉伸效率，且此效率随拉伸器泵压调整有-定变化，进而影响螺栓预紧载荷大校(2)拉伸器拉起螺栓 ，螺母旋紧并卸去拉伸器压力后，载荷由螺栓承受，但由于螺栓刚度、密封圈及法兰刚度等原因，螺栓载荷会有- 定的松弛，螺栓预紧后的剩余载荷要小于拉伸器的拉伸载荷，即存在螺栓预紧效率问题，此效率无法通过理论计算精确得出，只能通过实际预紧过程测量得出，因此对实际螺栓预紧载荷数值有较大影响。

2.2预紧后螺栓载荷整体均匀性差螺栓分级预紧后测量螺栓预紧力，其总体均匀性差，而预紧力分布不均匀会导致密封面圆周方向各处压紧比压的不均匀，进而影响封口的密封性能，因此必须对均匀性差别比较大的螺栓重新进行预紧使得全部螺栓预紧力基本处于均匀状态，造成此问题的主要原因：(1)每组螺栓预紧后载荷相互影响，每预紧-组螺栓 ，由于法兰发生变形，导致以前预紧的螺栓伸长量减小，预紧载荷降低。(2)螺栓拉伸后螺母的旋紧程度不-致。以往产品螺栓分级预紧时要靠人工同时对 4个螺母进行 2级旋紧，但因操作人员的个体差异，每个螺母旋紧的程度会有所不同，进而影响螺栓载荷的均匀性。(3)螺栓副加工精度低，螺纹配合不好也会造成螺栓承载不均，因为螺栓受拉伸长，螺纹牙形会发生变化，特别是螺栓中径会增大，而此时螺母中径如果与螺栓中径配合间隙很小，就会造成螺栓无法拉伸到位，甚至发生螺栓抱死现象。

3螺栓预紧工艺参数研究根据对螺栓预紧过程的难点分析，泵壳螺栓预紧过程应着重从以下方面进行工艺研究：a.通过螺栓承载理论计算，确定螺栓伸长量范围。b.研究制定提高螺栓预紧精度的工艺保证措施，以保证螺栓预紧后载荷的均匀性。

c.优化制定螺栓分组分级预紧程序，以提高预紧效率，避免进行两级预紧后的调整级拉伸。

3.1螺栓承载理论计算3.1.1螺栓载荷计算螺栓总载荷为P. ('rr/4)x(1 37 1.6) 2x22.733540668N其中 1371.6mm为缠绕垫密封线直径，22.7Mpa为试验压力。

每根螺栓预紧载荷为PI.05P /241467404N3.1.2螺栓预紧伸长量计算螺栓伸长量 sPxL/(A×E)1467404×525/(4534x204000)0.83mm。

其中P为单根螺栓预紧载荷，等于 1467404N，L为泵壳螺纹孔法兰面至螺母上表面距离 ，等于 525mm，A为螺纹承载面积 ，等于4534mm2，E为材料的弹性模量，等于 204000MPa。因此产品螺栓预紧后应保证每根螺栓伸长量在 0.880.05ram以内。(0.05为预紧控制精度误差，3.2螺栓预紧程序分析不锈钢泵壳共有 24个螺栓，为保证螺栓同步加载的均匀性 ，初步规划采用 4台拉伸器对螺栓进行分组分级预紧。根据以往经验，预紧载荷相互影响的趋势是相临螺栓影响越显著。根据此原则，每组螺栓及每级预紧之间，尽量使螺栓受载间距最远，以减少载荷相互影响因数。按 65%预紧效率计算，初步的预紧分组程序如表 1。

表 1主螺栓预紧程序表第-级 第二级 调整级 要求的 组别 螺栓编号拉伸 拉伸 拉伸 预 紧力1 1 I7 13192 而 170T 240T 3 2 l 8 I 14 J 20 (拉伸载荷) (拉伸载荷) 230T4 5 l 11 l 1723 (拉伸载荷) 不小于150T5 3 l 9 l 15 j 21 160T 230T(拉伸载荷) (拉伸载荷)6 6 l 12 l 18 I 243-3提高螺栓预紧载荷均匀性措施3.3.1螺栓、螺母制造公差加严为消除螺栓副加工质量对螺栓承载不均造成的影响，分别对主螺栓、主螺母旋合段螺纹公差进行加严控制。为保证两者螺纹有足够配合间隙，螺栓公差按螺纹下差选取，综合工厂现有螺纹加工能力，将螺栓中径加严控制在小于 0.Imm。根据表 I中螺栓最大拉伸载荷和胡克定律，可确定出螺栓最大拉伸载荷下的螺母最小中径。

3.32螺母旋紧机构改进螺栓拉伸后，螺母的旋紧程度对螺栓预紧载荷的均匀性影响较大，以往产品螺栓拉伸器螺母旋紧机构多为人工手动旋紧，由于人工控制螺母旋紧力矩的均匀性差，容易造成同组螺栓预紧效率的不-致，进而影响螺栓预紧载荷的均匀性。操作过程中应采用同-工人拧紧螺母，必要时可使用力矩扳手严格控制。

3.3.3增加每级螺栓预紧压力差为消除每组螺栓预紧后载荷相互影响作用，在每级预紧过程中增加螺栓载荷调整梯度，即先前预紧的螺栓组适当提高拉伸器泵压，增大螺栓载荷，使螺栓形成-定的松弛储备。随着各组螺栓预紧的顺序进行，先前预紧的螺栓载荷虽然在逐渐减小，但因有-定的松弛储备，螺栓原有伸长量较大，补偿了因法兰变形等造成的与其它螺栓载荷的偏差，使每级预紧后所有螺栓伸长量偏差基本满足设计要求。

4结束语通过对不锈钢泵壳螺栓预紧技术研究，基本掌握了此类压力容器螺栓预紧参数和预紧程序，这为后续类似产品的密封工装设计及螺栓预紧参数选择提供理论依据。