大直径螺栓拉伸咬死问题探究

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1、大直径螺栓拉伸咬死问题探究　　【摘要】随着核电设备、石化高压设备广泛应用，大直径螺栓连接成为必不可少的连接方式。螺栓、螺母设计在直接选用标准件的同时，需要对有些螺栓螺母参数进行一定修正，如选用标准件大直径螺栓螺母预紧过程中可能会存在咬死现象；本文介绍了螺栓拉伸机在大直径螺纹预紧过程中可能出现咬死现象的原因，通过对螺栓参数的分析，找出问题的相关因素，并提出规避此类问题的办法，为螺栓选型及设计提供参考依据。【关键字】核电；高压容器；大直径；螺栓；拉伸；咬死对于核电设备、石化高压设备而言，主螺栓、螺母拉伸问

2、题体现的相对明显，在大直径螺栓螺母设计过程中，设计者或多或少都对主螺栓、螺母参数进行修正，以防止该连接结构在液压拉伸机预紧过程中出现螺母与螺栓咬死而不能达到预紧的效果。下面将以某核岛一回路压力壳主螺栓、螺母为例，说明大直径螺栓、螺母拉伸及螺栓、螺母设计过程中应注意的问题。某一回路压力壳主螺栓：M110×4-5g，主螺栓采用标准螺纹；主螺母M110.546×4-5H①，对其中径、大径进行修正。4设计之初，采用特殊螺纹形式M112×4，牙型是特殊设计的，给出了螺纹牙型、牙底、中径、大径、小径等参数，因需要

3、专用的螺纹测量量具而增加了制造成本。为降低制造成本及主螺栓、螺母制造难度，将主螺栓和螺纹修改为相对标准的螺纹（螺栓：M110×4-5g；螺母M110.546×4-5H）。螺栓、螺母拉伸紧固：一般说来，在拉伸过程中，螺栓因受力而伸长（即螺栓发生弹性变形），螺母与法兰出现间隙，此时用拨杆将螺母带紧，撤掉螺栓拉伸力（即螺栓弹性变形变小），螺栓、螺母达到紧固效果。咬死现象：在拉伸过程中，螺栓受力伸长，当局部（沿螺母厚度尺寸）伸长量m超过螺栓与螺母之间螺纹轴向间隙时，便出现螺栓螺纹与螺母螺纹接触的现象（见简图）

4、，此时，螺母最上部螺纹牙与最下部螺纹牙受相反的两个力，使螺母厚度有变大的趋势，造成螺母受力，当受力到一定时，拨杆不能拨动，称为螺栓螺母咬死现象。例如：某一回路压力壳为核1级部件，螺母厚度为δ=128mm，材料为SA-540-B24-Cl.3，抗拉强度1000MPa，最低屈服强度895MPa，常温下设计螺栓许用应力强度为299MPa，弹性模量为1.91×105MPa（注：此材料基础数据取自ASME第Ⅱ卷D篇材料性能（公制）2004版中国石化出版社）。4预紧情况下，不计应力集中，螺栓截面平均应力为K*Sm

5、（K为螺栓设计时螺栓载荷系数，即最大载荷为螺栓许用应力强度倍数，在此取0.9）。单位长度螺栓应变量为，当拉伸时，和螺母接触的螺栓长度（数值上等于螺母厚度）的变形量Δ为注：此处未考虑螺栓光杆处与螺纹小径差别。螺栓光杆尺寸及长度影响说明：双头螺柱光杆直径d一般小于螺纹小径d1，在计算应变量时，需要考虑双头螺柱光杆对应变量的影响，一般计算平均截面应力强度时，也都是基于光杆尺寸截面，故螺纹段应力强度一般取K*Sm*d2/d12。综上所述，螺栓变形量与材料弹性模量、拉伸时螺栓截面平均应力（许用应力强度×K）及螺

6、母厚度有关。对于同种材料螺栓、螺母的咬死情况，螺栓变形量只与螺母厚度有关；而螺母厚度与螺纹的尺寸有直接关系，所以，当螺栓规格较大时，螺母厚度也较大，一般要考虑螺纹预紧时的咬死现象。经过分析，螺栓螺母之间间隙只取决于螺栓中径及其偏差，对于主螺栓M110×4-5g、主螺母M110×4-5H，其可能出现的最小间隙时，螺栓达到基本偏差上偏差es=0.06，螺母达到下偏差EI=0，即此时螺栓螺母既能满足设计要求，又能使螺栓螺母间隙最小。注：此情况与螺纹公差等级无关。4螺纹中径的基本偏差，使得螺栓与螺母之间出现装

7、配时需要的间隙，因螺栓螺母咬死问题只与其轴向间隙大小有关，本次只给出轴向间隙，对于60度螺纹，其间隙大小为：螺母设计时，如果螺母厚度取N倍的螺栓公称直径，以SA540-B24-Cl.3材料的螺栓为例，如基本偏差螺纹公差等级选用为螺栓g、螺母H的形式，出现可能咬死的最小螺栓直径Dmin计算方法为：按此计算方法，对于大于M25的螺栓螺母（螺距为4的螺纹，当然对于M25标准里没有螺距为4的螺纹），如果不考虑螺栓光杆直径、光杆长度影响，不考虑螺纹中径与公称直径差别，可能会存在拉伸预紧过程咬死现象，在此对于大于

8、M25（螺距为4的螺纹）的螺栓螺母称之为大直径；当然，对于不同螺距的螺纹连接，其外螺纹上偏差es是不同的；对于不同配合形式的螺纹，其最小间隙计算需要考虑内螺纹基本偏差的影响。综上所述，当拉伸变形量（1式）大于螺纹连接间隙（2式）的螺纹连接时，在设计螺栓螺母时则需要考虑拉伸咬死现象的潜在风险。为验证咬死现象，本文参考了其它两种设备主螺栓、主螺母设计，下表1螺栓螺母设计对照表，供参考：4