曹亮亮，余 浩

（江苏核电有限公司，江苏连云港 222042）

0 引言

核电应急柴油机用于正常电源和备用电源失效或发生安注动作时,为需应急电源供电的设备提供可靠的应急电源。某核电应急柴油机，18PA6B 型，额定功率5500 kW，额定转速1000 r/min，采用空冷器对增压空气进行冷却。空冷器主要由芯组、侧壁、端盖等构成。罩壳连接螺栓48 个，M12×65 型，10.9 级，抗拉强度1000 MPa；支架长边螺栓36 个，M12×65型，10.9 级，抗拉强度1000 MPa；本体短边螺栓10 个，M12×45 型，8.8 级，抗拉强度800 MPa。

1 故障现象

2017 年7 月，某核电厂对照核安全局发函《关于2015 年度下半年核电厂建造和调试质量事件与问题的通报》（国核安函【2016】34 号）进行自查，检查发现该核电厂应急柴油机部分空冷器连接螺栓存在与函件中相同的断裂问题，断裂螺栓见图1。对该断裂螺栓进行材料分析、金相检验、硬度测试，并对断裂螺栓进行宏观分析和扫描电镜断口分析。结合使用工况，分析判断螺栓断裂的直接原因为在使用过程中遭受了过大的不均匀的脉动负荷作用而疲劳断裂。

2 原因分析

2.1 安装记录核查

查阅安装记录，操作人员未按照规程要求在螺纹外表面均匀涂抹螺纹锁固剂，一段时间后，部分螺栓先行发生松动，柴油机运行产生的动应力被放大，该部分螺栓可能先行产生疲劳损伤，当疲劳区域扩展至一定程度时，该部分螺栓将发生疲劳断裂，柴油机运行产生的动应力被进一步放大，从而引发其他螺栓发生快速疲劳断裂。

图1 断裂螺栓

2.2 防松设计分析

查阅备件手册，罩壳连接螺栓和支架连接螺栓未设计防松措施，一段时间后，部分螺栓先行发生松动，柴油机运行产生的动应力被放大，该部分螺栓可能先行产生疲劳损伤，当疲劳区域扩展至一定程度时，该部分螺栓将发生疲劳断裂，柴油机运行产生的动应力被进一步放大，从而引发其他螺栓发生快速的疲劳断裂。

2.3 螺栓强度计算

2.3.1 计算模型

（1）整体模型。根据图纸，利用Solid Works 建立简化模型后导入ANSYS，采用beam 单元构建螺栓模型，采用pipe单元构建铜管模型，分片处理后划分网格，有限元模型见图2，空冷器与罩壳、支架之间选用摩擦接触，摩擦因数设定为0.12，构件材料力学特性见表1，其中铜管折算质量包含管中水的质量。

图2 空冷器有限元模型

表1 空冷器构件材料力学特性

（2）螺栓模型。查阅《机械设计》，有效直径取10.36 mm，罩壳连接螺栓弹性模量取E1=2.1×105MPa，长边支架连接螺栓弹性模量取E2=2.0×105MPa，短边支架连接螺栓弹性模量取E2=2.0×105MPa。

2.3.2 模态分析

将铜管和水的质量折算至空冷器外壳，底面采用“fix”边界条件，一阶固有频率67.176 Hz、二阶固有频率87.076 Hz、三阶固有频率97.401 Hz，一、二、三阶振型分别见图3、图4、图5。

图3 一阶振型

图4 二阶振型

图5 三阶振型

2.3.3 载荷说明

计算载荷包括热负荷、重力载荷、预紧力、地震加速度载荷、气体压力和膨胀节反作用力。

（1）热负荷。实测空冷器温度分布，对空冷器侧面进行片状切割，温度依照实测结果设定。

（2）重力载荷。重力载荷按重力加速度9.8 m/s2施加。

（3）预紧力。预紧力按照柴油机运行和维修手册取值。

（4）地震加速度载荷。根据模态分析，空冷器一阶共振频率为67 Hz，查阅柴油机质心反应谱，在地震作用下，X，Y，Z 等3个方向的零周期加速度分别为0.32 g、0.42 g 和0.34 g，水平方向的组合加速度为0.528 g。柴油机运行过程中，实测空冷器处加速度值为2.8 g。

为进一步考虑地震的作用，计算时，在空冷器模型的水平方向施加5 g 的加速度，在空冷器模型的Z 方向施加4 g 的加速度。

（5）气体压力。空气施加在空冷器内侧表面的气体压力为230 kPa。

（6）膨胀节反作用力。当柴油机发生位移变形时，空冷器端盖安装的膨胀节将对空冷器施加反作用力。

查阅膨胀节设计计算书，轴向刚度Kx=172.12 N/mm，轴向位移量Dx=2mm，横向刚度Ky=1582 N/mm，横向位移量Dy=1mm，依据公式（1）公式（2）计算轴向反力最大值Fx和横向反力最大值Fy。

根据膨胀节安装位置和数量，依据公式（3）公式（4）计算膨胀节对空冷器正面施加的作用力F1和对空冷器侧面施加的作用力F2。

2.3.4 静力校核

静力校核时，模型底面采用“fix”边界条件。预紧力矩取T=70 N·m，查阅《机械设计》，依据公式（5）计算连接部分受到的预紧力F0。

式中：T 为螺栓预紧力；D 为螺纹直径。设定螺栓连接处工作载荷力为Fn，查阅《机械设计》，螺栓相对刚度取λ=0.25，依据公式（6）公式（7）计算螺栓轴向载荷力Fn＇和螺栓总轴向力Fz。

查阅《机械设计》，M12 型螺栓有效面积取Seq=84.25 mm2，依据公式（8）公式（9）计算螺栓所受拉应力ft和切应力fv。

式中：f 为空冷器与罩壳、支架之间的摩擦系数，取0.12。查阅《核电厂抗震设计规范》，依据公式（10）进行螺栓静态校核。

式中：Ft为许用拉应力，Ft=0.58 Su；Fv为许用剪应力，Fv=0.24 Su；Su 为螺栓的抗拉强度。

根据ANSYS 计算结果，提取螺栓所受拉力和剪切力，依据公式（5）公式（10）对螺栓进行静态校核，结果表明螺栓均满足《核电厂抗震设计规范》中静态校核准则。

2.3.5 疲劳安全性校核

查阅《核电厂抗震设计规范》，依据公式（11）进行螺栓疲劳强度校核。

式中：n 为计算安全系数；[n]为许用安全系数，取[n]=1.21；σ-1为材料对称循环疲劳极限，依据公式（12）计算；Ψσ应力折算系数，取Ψσ=0.25；Kσ为疲劳极限综合影响系数，依据公式（13）计算；σα为循环拉应力的应力幅；σmin为最小应力。

式中：σs为抗拉强度极限值；σb为屈服强度极限值。

式中，Kσ为有效应力集中系数，取Kσ=5.2；εσ为尺寸系数，取εσ=1；βσ为表面质量系数，取βσ=0.9；βq为强化系数，取βq=2。

依据式（11）和式（13）对螺栓进行疲劳安全性校核，结果表明数个支架连接螺栓计算安全系数小于许用安全系数，即不满足《核电厂抗震设计规范》中疲劳安全性校核准则。

2.3.6 问题原因

校核结果表明，依据《核电厂抗震设计规范》，螺栓静应力满足使用要求，其在工作中存在较大的热应力，但数个螺栓计算疲劳安全系数小于安全值，故螺栓断裂原因为高静应力下的疲劳断裂。

3 改进措施

3.1 安装工艺优化方案

针对安装过程中操作人员未按规程要求在螺纹外表面均匀涂抹螺纹锁固剂问题，对安装工艺进行优化，将规程相关要求纳入安装工艺要求，同时对涂抹螺纹锁固剂的使用量、要求等重要工序做出提示并选取质量见证点进行监控。

3.2 防松设计新增方案

针对罩壳连接螺栓和支架连接螺栓未设计防松措施问题，新增防松设计，即在螺栓头部下方加装洛帝牢防松垫圈，该垫圈采用楔入的机械结构进行锁紧，由一对咬合角度大于螺纹升角的垫圈相互咬合构成，能有效阻止螺栓松动。

3.3 螺栓改进方案

针对数个罩壳连接螺栓和支架连接螺栓计算疲劳安全系数小于安全值的问题，对螺栓进行换型优化，即改用M14 型42CrMoA 超高强度钢螺栓，其最小抗拉强度为980 MPa，屈服强度为882 MPa。

3.3.1 静力校核

根据改进方案，对螺栓模型进行修改，有效直径取12.12 mm，保持其他载荷不变，利用ANSYS 对换型后螺栓受力进行计算，螺栓预紧力矩取T=120 N·m，螺栓有效面积取Seq=115.37 mm2，对换型后的螺栓进行静力校核，结果表明改进方案满足《核电厂抗震设计规范》中静态校核准则。

3.3.2 疲劳安全性校核

根据改进方案，查阅《机械设计》，有效应力集中系数取Kσ=5.3，屈服强度极限值取σb=980 MPa，抗拉强度极限值取σs=882 MPa，对换型后的螺栓进行疲劳安全性校核，结果表明改进方案满足《核电厂抗震设计规范》中疲劳安全性校核准则。

4 结果验证

截至2019 年11 月，该柴油机已启动60 余次、累积运行近50 h，复查未发现罩壳连接螺栓或支架连接螺栓断裂问题。

5 结语

通过经验反馈自查,提前发现了核电厂应急柴油机空冷器连接螺栓断裂问题，通过优化安装工艺、新增防松设计和换型螺栓等处理措施，从根本上解决了该型核电应急柴油机空冷器连接螺栓断裂问题，实践证明了优化安装工艺、新增防松设计和换型螺栓等处理措施的可行性，可以为核电站的安全稳定运行提供强有力的保障。