大型螺栓紧固新方法

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大型螺栓紧固是重工业普遍存在的-个棘手的问题 ，特别是特大重型设备上，如钢铁 、石油化工、电站设备等。-台200MW汽轮发电机组不包括辅机就有1 000多套M42以上的大型螺栓分布在各个连接面上。300MW、600MW和1 000MW重大型的汽轮发电机组大型螺栓的数量和规格就更多了。用传统方法安装或拆卸这些螺栓需要耗费大量人力和时间，据统计在时间上大约占据整个设备装配时间的30%～50%，不仅费工费力而且不安全。螺栓装配的其他方法如电加热拉伸法、液压扳手和液压拉伸法等，各有利弊。本人通过原理分析、试验计算和实际应用，认为顶推紧固法是-种比较好的新方法。它可彻底改变传统的紧固方法 ，无论螺栓直径多大，预紧力多高，只需用手动力矩扳手就可以轻松完成紧固或拆卸工作。即使在高温、高压、强振的条件下，也不会出现松动、锁死现象。

-、 大型螺栓紧固新方法介绍1.传统紧固方法(1)大锤敲击扳手法此法不仅费工费力而且相当不安全。

(2)液压力矩扳手紧固法液压力矩扳手紧固法需要-套液压力矩扳手和提供液压动力的泵站装置。它的紧固原理同传统紧固方法-样，操作也不方便。而且-套液压板手和泵站装置的费用非常高。

(3)电加热拉伸紧固法螺栓加热方法有电阻丝加热法和电热管加热法等，电热管加热法操作比较方便和安全 ，所 以应用 比较普遍。这种方法需要在螺栓上钻孔，以便放置加热管。需要根据螺栓预紧力时 算伸长量△和旋鹏固角度0：36 中国设备工程 1 20l3年2月A ：尸0(1，Gfl1，CF) (1)O360PJtCL (2)式中：C。 螺栓刚度，N/mm；c广～ 被连接件刚度，N/ram；--螺距 ，mm。

安装螺栓时，首先将螺栓在常温下鹏，保证各连接件贴紧。然后用电热管加热使螺栓伸长 ，测量螺栓的伸长量等于计算要求的伸长量。然后鹏螺栓 ，保证旋紧角度符合计算值。当螺栓冷却后 ，由螺栓收缩产生弹性恢复力压紧被连接件 ，达到部件连接的 目的。这种方法最大的缺点是耗费能源和时问。

f4)液压拉伸紧固法通过液压力将螺栓拉伸然后鹏螺母，靠螺栓材料的回弹力紧固螺栓。如图1所示 ，它需要-套专用工具 ，包括搬手、拉杆螺栓 、支撑环 、拉伸油缸和油泵。在安装螺栓之前应根据所需要的预紧力 计算油缸压力P：，A (3)图1 液压拉伸紧固螺栓维护与修理式中：A--为油缸油压面积，cm2。

安装螺栓时，首先将螺栓在常态下鹏，然后安装支撑环、拉杆螺栓和拉伸油缸等专用工具∮上高压油，拉伸油缸加压到所要求的压力肼 保持。用搬手鹏螺母后油缸卸压 ，最后拆除专用工具。这种方法最大的缺点是需要昂贵的专用工具。

2.新方法--顶推螺钉紧固方法这种方法是运用分解-合成原理，把-个大力矩分成多个小力矩 ，产生多个小顶推力合成-个大的螺栓紧固张力。以小攻大，用分布在大螺栓周围的多个小顶推螺钉逐- 顶推，形成紧固大螺栓所需的拉伸预紧力。在安装螺栓之前应根据所需要的预紧力Pn，按照公式计算每个顶推螺钉所需的鹏力矩 。

安装螺栓时，首先将顶推螺钉装在大螺母或螺栓上，用普通力矩扳手鹏顶推螺钉。首先调整力矩扳手的力矩值等于所计算的顶推螺钉力矩 ，然后逐-鹏顶推螺钉达到要求的力矩值。这就达到了大螺栓预紧力的要求。这种方法，操作方便安全可靠，是大型螺栓紧固的最佳方法。

二、各种大型螺栓紧固方法的分析比较1.力矩紧固法和拉伸紧固法的比较不论通过什么方法，力矩紧固螺栓是靠旋转螺栓或螺母使联结产生预紧力。当紧固螺栓时，要有足够大的鹏力矩去克服旋合螺纹间的摩擦力矩和螺母与被连接件支承面间的摩擦力矩，才能够产生紧固螺栓的轴向预紧力，拧紧力矩和预紧力的关系为：MKPoD (4)式中：胁- 鹏力矩 ，N·m；- 预紧力，N；螺纹公称直径 ，ITI； 鹏力矩系数。

KI/2(d]D)tg(Ap)J3D) 13-do3[Dl2d (5)式中： 摩擦系数；如- 螺纹中径，ram；p--螺纹当量摩擦角 ；d.-螺孔直径，inm；A--螺纹升角；D --螺母与支承面接触直径，mm。

在公式(5)中，预紧力尸 黾连接工件所要求的。连接工件需要的预紧力越大，使用的螺栓也就越大。大螺栓就需要大的鹏力矩，这是传统方法紧固螺栓的理念。为了进-步说明，通过螺栓直径和鹏力矩的关系曲线(图2)，可以看出螺栓直径的大小与鹏力矩的关系是非线性的。M16的螺栓所需的鹏力矩为219N·m，M48的螺栓所需的鹏力矩为6152N·in，它是219N·m的28倍，而螺栓直径只是3倍的关系。

这可以用鹏力矩相对于螺栓直径的增长率 (增长率鹏力矩之差/螺栓直径之差)来表示 ，如螺栓直径从MIO增到M20鹏力矩相对于螺栓直径的增长率是38，螺栓直径从M20增到M30的增长率是104，螺栓直径从M42增到M48的增长率是339，即增长率随着螺栓直径的增大愈来愈大。这就是说螺栓直径越大，鹏力矩的增长率就越大。所以使用力矩紧固法紧固大型螺栓所耗费的功力非常大。据统计螺栓紧固力矩-般按螺栓直径的3次方增加。

///- - - - 螺栓直径 鹏力矩/mm /N·II1M lO 50.7M 16 2l9.5M20 4 31.2M30 l 475.9M 36 2 575.4M42 4 Il6M48 6152.8螺栓直径/ram图2 螺栓直径和鹏力矩的关系曲线(8。8级螺栓，K0.2)液压和加热拉伸紧固法不需要旋转螺栓或螺母，直接实施的是轴向预紧力，没有克服摩擦力的无用功的浪费◆固螺栓时操作非常省力。顶推螺钉紧固法需要旋转顶推螺栓，耗费的功力很校它打破了大螺栓需要大鹏力矩的传统概念。通过公式(4)可以推论得出：多个顶推螺钉的鹏力矩之和 大大小于鹏-个大螺栓的鹏力矩 图3)。

图3 顶推螺钉紧固分别设大螺母的鹏力矩为 ；鹏系数为K；螺纹直径为D；预紧力为 ；顶推螺钉的鹏力矩为m；鹏系数为k；螺纹直径为d；预紧力为p。

.Popp2。p ；pl 2 -p；ml， ：m.。. 印 ；2013年2月 I中国设备工程 376 5 4 3 2 l 毛 靶 氯鬈 l1阪 lpm/kd则 ：n(m d)；PoM/KD又 .k

由设计手册中查得预紧力为Po362 600N，计算得：M3 289.5N·11 其中K0.189选择6个8.8级M16的顶推螺钉 ，顶推紧固M48的螺栓。

由手册查得8.8级M16螺钉的预紧力为p68 600N。因为P>(P./660 433N1，所以只要鹏6个顶推螺钉就满足M48螺栓预紧力的要求。计算得：m109.76N·IYI其中k0.1鹏6个M16螺钉总共需要6m658.56N·m。

由3 289.5/658.564.995得出顶推紧固法比力矩紧固法节庶5倍的功力。

2.螺栓受力分析(1)螺纹受力分析采用力矩紧固法的螺栓和螺母，轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的，从螺母支承面算起 ，第-圈受载最大 ，以后各圈载荷急剧减校理论分析和实验证 明，第8-10圈以后的螺纹几乎不受载荷 。而顶推螺钉结构的螺栓在紧固时，分布在大螺母圆周上的顶推螺钉和主螺栓之问产生的相对作用力形成圆周应力。在圆周应力的作用下，大螺母的底部直径扩大，上部直径缩小，如图3大螺母两侧箭头所示。所以应力均匀地释放在整个有效螺纹上，避免了应力集中，增强了螺纹的承载能力。

(2)螺栓受力分析拉伸紧固法利用热拉伸 、液压拉伸和顶推螺钉拉伸对连接的大螺栓只产生轴向拉力 ，不受力矩紧固法在紧固螺栓时对螺栓产生的扭力。拉伸紧固法属于纯张力紧固，改善了螺栓的受力状况 ，增加了螺栓的承载能力 ，可防止由于直接旋紧大螺母而造成的螺纹磨损、螺栓锁死 ，还可对加工造成偏差进行补偿 ，而张力变化很小，对密封法兰或压力容器各螺栓之间张力均匀尤为重要。拉伸紧固方法可使栓接的弹性增强，大大延长高温连接螺栓的使用寿命。

f3)弹性恢复力和顶推拉紧力加热拉伸和液压拉伸紧固方法是靠大螺栓拉伸后的弹性恢复力对连接件施加压紧力 ，需要考虑螺栓和被连接件的弹性和刚度设计计算预紧力所需的伸长量 。而且连接的质量和寿命与螺栓材料诸多性能相关。顶推紧固法是直接靠顶推螺钉对连接件施加压紧力。不需要考察螺栓的伸长38 中国设备工程 I 20132#]维护与修理量 ，只要通过-般的力矩扳手控制预紧力就可以了。其连接质量和寿命只与螺栓的抗拉强度有关。

f4顾 推螺钉受力状态分析顶推螺钉受压而不受拉应力。所 以顶推螺钉承载能力大大加强了，在工作期间不易损坏。而且对螺栓紧固有-定的防松作用。

从上述力学分析可知，顶推紧固螺栓的结构螺纹受力均匀，承载能力强。用手动力矩扳手控制紧定制螺钉的拧紧力矩，能很准确地控制螺栓的预紧力，其精度可达90%-95%，比任何紧固方法的精度都高。

3.综合 比较综合分析比较可以看出：在大型螺栓紧固上，传统紧固法应该淘汰；液压板手只解决了节省人力的问题 ；顶推紧固法用手动扭矩扳手紧固或拆卸螺栓，鹏顶推螺钉时需要-定的人力，但操作比较安全省力。与顶推紧固法相比较，加热紧固法需要专用[具测量螺栓的伸长量 ，加热时浪费时间，消耗电能并影响环境；液压拉伸法螺栓结构复杂，加工和工具费用高。而顶推紧固螺栓的制造周期短 ，加工成本低 ，原螺栓结构改造容易 ，只需在原螺母上加工顶推螺钉孔 ，装上顶推螺钉即可，更换螺栓 占用设备修理时间很少，经济效益非成观。

为进-步说明各种紧固大型螺栓方法的优缺点，对其加以比较，如表1所示。

表1、、 比较项 拆装 费力 人身 工件 工具 条件 受力 预紧力 能源 紧固方法 工作 程度 伤害 损坏 成本 限制 状态 控制 耗费不能 传统紧固 拆卸难 很大 易 易 低 有 差 无控制准备 误差 液压扳手 较大- 般 可能 高 有 较差 较少 时间长 较大加热 较难 加热棒 小 易触电 可能 较高 有 较好 较多时间长 控制准备 误差 液压拉伸 较小- 般 无 较高 无 较好 无 时间长 较小顶推螺钉 简易 较小 较少 无 低 无 好 、 无三、新方法在汽轮发电机组中的运用1.在高速动平衡摆架轴承座上的应用真空动平衡用轴承座上的M48螺栓。原来用12bfJq锤进行紧固，不仅劳动强度非常大 ，而且很容易造成人身和设备安全事故。

用顶推螺钉紧固M48螺栓 ，只需要-个人用内六方扳手就能轻松地完成螺栓的紧固工作，不会出现任何人身和设备事故。

经过多年的使用 ，应用效果很好 ，大大地减轻工人的劳动强度。连接螺栓经受了各种转子动平衡超速试验的考验，重达70t的300MW汽轮机低压转子，转速达N3 600r/rain