李焕鸣 汤臣杭 黄 燕 赵薇娜
（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213）
【摘 要】稳压器是电站一回路重要设备，为保障其压力边界的完整性，需要保护设备的薄弱部位。为此稳压器筒体工艺接管焊接前，将接管以冷装工艺安装至筒体，以提供一定的拔脱力。安装过盈装配的过盈量直接关系到过盈装配的拔脱力，对于保护稳压器承压边界完整有重要意义，对冷装工艺下的接管过盈量计算进行了讨论，并对过盈量的设置给出了建议。
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关键词 稳压器；冷装；过盈量；有限元
作者简介：李焕鸣（1983—），男，硕士，2008年毕业于大连理工大学化工过程机械专业，工程师，从事核动力设备的设计研究工作。
０ 概况
稳压器是对压水堆核电站一回路压力进行控制和超压保护的重要设备，其设备承压边界即是核电站一回路承压边界，一旦破坏不但影响核电站生产的正常运行，而且将引起一回路放射性介质泄漏至核岛厂房，甚至可能引起重大事故危及公共社会安全。故对稳压器的制造较之常规高温、高压的压力容器提出了更为苛刻的设计、制造、检验要求。
在稳压器结构设计中，对于设备本体，除了封头筒体及各个接管座的对接焊缝形式外，稳压器上还有部分接管（电加热套管和测量接管）采用部分焊透角焊缝形式连接（见图1），一旦在运行过程或者安装运输中受到冲击，这些相对薄弱的焊接部位就容易遭到损坏，进而影响压力边界的完整性，并且这些接管都是在稳压器最后一道主焊缝组对前就已在设备内部安装到位，此时对这些焊缝的维修就只能将主焊缝切开才能进行，这当然是需要制造和设计方所极力避免的。
１ 过盈连接
过盈连接是利用零件间的过盈配合来达到紧固连接的一种连接方法。过盈连接具有结构简单、定心精度好、可承受较高的转矩和轴向力, 在冲击、振等动载荷下也能比较可靠地工作[1],广泛应用于重型机械、机车及通用机械等需要传动或承载的场合。
为加强对稳压器工艺接管组对角焊缝的保护，稳压器在接管装配时，在设计上对接管与筒体间连接形式采用过盈配合来提供一定的拔脱力来承担一部分载荷，从而实现对接管焊缝的保护。
2 过盈量计算
工程实践中，对过盈配合的过盈量一般采用类比法或计算法进行确定。类比法即根据经验实例或设计手册选择配合性质和过盈量，此处方法简单便捷，但有时会出现装配困难或不满足使用要求的问题[2]，故有明确传递载荷的场合一般不使用该方法；计算法计中的过盈量的确定需先由过盈配合需传递的载荷来计算拔脱力进而用摩擦力公式来求所需最小径向压力，并反算对应的最小过盈量δmin；再由径向压力不致发生过盈连接件塑性变形来计算过盈连接的最大径向压力，同时也算出最大过盈量δmax，最终过盈连接的过盈量根据工程经验再取两者值区间的某个值[3]。
工程设计中使用的稳压器接管过盈量计算是基于弹性力学的厚壁圆筒的公式法来进行的，本例结合早期项目的计算方式引用GB/T 5371-2004对设计所需给出的过盈量展开计算。
稳压器接管拔脱力没有确切的值可以引用，没有最小过盈量的确切值，为了在设计中给出其过盈量，本文直接先取不致发生塑性形变的过盈量，作为最大过盈量，并对最终设计中过盈量的选取加以讨论，得到设计中需要的过盈量。
2.1 最大过盈量计算
对于连接件不致发生塑性形变的计算，即是对于结构强度的校核，过盈连接结构强度包括两个方面，即连接的强度及连接零件本身的强度。过盈连接零件本身的强度，可按材料力学中的厚壁圆筒强度计算方法进行校核。当压力p一定时，连接零件中的应力大小及分布情况见图2。
当零件材料为塑性材料时．则应按第三强度理论（σ1-σ3≤σS）检验其承受最大应力的表层是否处于弹性变形范围内，则由图2可知，不出现塑性变形的检验公式为：
对被包容件内表层
d——配合的公称直径，mm；
d1、d2——分别为被包容件的内径和包容件的外径，mm；
σs1、σs2——分别为被包容件及包容件材料的屈服极限，MPa。
进而得到径向压力P的最大值应为Pmax=min（Pmax1，Pmax2），根据材料力学有关厚壁圆筒的计算理论，在径向压力为 P时的过盈量为δ=pd(C1/E1+C2/E2) ×103μm，其过盈量与径向压力是成正比关系，则由上式可知，过盈连接不发生塑性变形的最大过盈量应为
式中：
δmax——最大过盈量，μm；
p——配合面所需径向压力，MPa；
d——配合的公称直径，mm；
E1、E2——分别为被包容件与包容件材料的弹性模量，MPa；
d1、d2——分别为被包容件的内径和包容件的外径，mm；
μ1、μ2——分别为被包容件与包容件材料的泊松比。对于钢，μ=0.3；对于铸铁，μ=0.25。
代入接管结构尺寸和材料参数，求得此结构不发生塑性变形的最大过盈量为0.035mm。
2.2 最小过盈量计算
对于过盈连接，拔脱力是由包容件与被包容件之间的摩擦力Ff实现的，其计算公式为：
2.3 选择配合所需过盈量
当需实现的拔脱力一定时，配合长度l越短，所需的径向压力p就越大。当p增大时，所需的过盈量也随之增大。为了避免在拔脱力一定时需用较大的过盈量而增加装配时的困难，配合长度不宜过短，一般推荐采用 l≈0.9d。但应注意，过盈量理论计算是基于弹性力学理论来进行设计的，将结合尺寸视为定量，当存在某些缺陷或变形，导致连接件在装配或使用中有时会产生较强的应力集中[4]。同时由于包容件与被包容件之间的变形协调作用，在装配区域应力分布也并不是均匀的，忽视应力集中会存在装配体部分区域应力超过屈服限，导致零件屈服，影响零件完整性的风险。
稳压器接管与筒壁的冷装配合长度即为壁厚（l=108mm），而接管公称外径d为?准34，前者远大于后者，在引入公式法计算过盈量时，必须考虑应力集中问题。
一般情况下，可以取δ≈0.5（δmin＋δmax）；当有较多的连接强度储备时，可以取δmax＞δ＞0.5（δmin＋δmax）；当有较多的连接件材料强度储备时，可取δmin＜δ＜0.5（δmin＋δmax）[5]。
对于稳压器接管结构，更多是希望有更大的拔脱力，再加上并无δmin最小过盈量的具体值，故可取最大过盈量δ=0.035mm作为过盈量。出于结构安全考虑，避免局部进入屈服，工程上取0.005mm～0.015mm作为冷装过盈的推荐值。
使用公式法计算过盈量，不能精确计算过盈部件的应力分布，为避免零件塑性变形，求解考虑应力集中条件下的过盈配合过盈量，对接管所受径向压力的计算有必要引入其他计算手段加以校核。
3 有限元模拟
本文采用ANSYS有限元软件，对稳压器接管过盈装配冷装过程进行了模拟，特别是接管与筒体间的应力分布情况进行了分析。为加强对冷装工艺过程及连接接头性能的理解，合理设置过盈量，丰富设计手段，本文对过盈连接使用有限元分析设计进行了尝试。过盈连接的拔脱力计算公式Ff=πdlpf，公式中f、d和l在连接结构不变的情况下都为常量，在考虑某一特定连接结构过盈量的设置时，只需对径向压力p的情况加以研究，即可得到拔脱力的规律，而相对与拔脱力，径向压力p的计算更便捷直接，所以在后文中讨论过盈连接时仅针对径向压力p进行研究。
3.1 几何建模及网格划分
为了模拟冷装过程，可将接管的过盈量直接换算为接管模型的实际尺寸，并通过接触对的设置，来模拟两面最终协调变形后的变形和应力情况。
冷装时，由于接管外径较小，筒体与接管受力的区域主要集中在距离接管附近很小的范围（
），所以仅对筒体局部进行了建模，将其简化处理为厚板圆盘，并对接管非冷装区域加以简化，利用扫略方式对模型进行网格划分，因整个结构为整体轴对称模型，为减少单元规模，仅就结构的1/4建模，具体模型如下：
3.2 材料及其性能
分析模型所用的材料及其性能如下表所示，材料的应力-应变设为理想线性材料，详见表1。
3.3 边界条件及载荷
根据冷装的实际过程，对于三维模型，取其整个结构的1/4，故在两个对称的截面上施加对称边界条件；由于冷装应力影响区域远离装配区，筒体厚板外沿表面处应力应变很小，为防止整个结构在计算中的刚体漂移，故对表征筒壁的厚板的外沿表面节点施加全约束；最后定义厚板圆盘的内表面和接管外表面为接触对，指定接触刚度的处罚系数为0.1。打开大变形选项，保存设置，运行求解器求解[6]。
3.4 模拟结果及分析
3.4.1 模拟结果
接管计算应力分布如下图：
连接区域同一轴线上应力情况如下图：
对比计算过盈量δ为0.01、0.015、0.02、0.025、0.03及0.035mm下连接结构的径向压力p，其计算结果如下：
3.4.2 结果分析
模拟分析结果标明，冷装过盈配合的径向应力p沿接管轴线长度（即壁厚方向）方向分布是不均匀的，对于被包容接管而言，其分布情况如图4、图5所示。其在作为包容件的稳压器壁厚两侧具有一个很高的接触压力区间，然后在中间段比较平均，且与公式计算（见表2）比较接近，整个接管其径向压力可以取各节点径向压力p的平均值。
模拟计算得出的径向压力p的值近似与过盈量成正比例关系（见图6），这与理论公式的规律是一致的，模拟计算值p1比公式计算值p2偏大，在工程计算上其推出的过盈量更偏于保守，考虑到接管两端的应力集中区对接管应力情况的影响，在工程计算中采用模拟值更为安全。而且接管与筒体连接的中间部分（不含两端应力集中部分）其径向压力值均值与公式值偏差都在5%左右，可以认为该计算对理想弹性材料下的接管冷装连接的模拟是适用的。
公式法的计算结果所选取的过盈量，对于稳压器接管结构其取值偏于保守，最大应力处等效应力值远小于材料屈服极限Sy，为了得到更大的拔脱力，在保证连接结构应力不致过大的基础上，本文推荐过盈量δ取0.025-0.030mm。
4 结论
4.1 通过采用理论公式和有限元分析方法，对接管-筒体的冷装过盈装配进行了计算和模拟，结合工程经验给出了过盈量的初步设计值；得到装配结合面上径向压力分布的具体分布情况，对接管装配冷装过盈量的设置可提供有价值的参考。
4.2 通过有限元分析可知，冷装配合中公式计算得到的过盈量δmax值没有考虑到接管的应力集中情况，对于脆性材料在设置过盈量时应对此加以考虑。
4.3 在连接配合两端的高应力区，管子的变形与径向应力有明显提高，这对提高接头的拉脱强度和密封耐压能力都是有益的。
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参考文献
［１］许定奇,孙荣文.过盈连接的设计、计算与装拆[M].北京:中国计量出版社,1992.
［２］郭鹏程.配合长度对过盈配合质量的影响[J].机械工程师,2013(1):65-67.
［３］机械设计手册编委会.机械设计手册[M].2版.北京:机械工业出版社,2004.
［４］滕瑞静,张余斌,周晓军,等.圆柱面过盈连接的力学特性及设计方法[J].机械工程学报,2012(13):160-166.
［５］GB/T 5371-2004 极限与配合 过盈配合的计算和选用[S].
［６］王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,1998.
［责任编辑：邓丽丽］
