螺栓伸长与角度.doc

随着国民经济飞跃发展，我国水轮机行业的科研、设计和制造水平取得了长足的进步。近年来，通过三峡、龙羊峡、岩滩、二滩、天生桥二级、李家峡、漫湾等大型水电机组的前期科研工作和引进技术、合作生产，水轮机向高水头、大容量、高比速和高效率趋势发展，先后研制出了一批比速系数和效率高、气蚀性能好的转轮。如已投运的天生桥二级、岩滩、漫湾水电站，水轮机模型最高效率达92.72%(天生桥二级)，直机效率保证值达94.4%(天生桥二级为94.48%；岩滩为94.44%；漫湾为94.43%)；岩滩水电站，其单机容量为302.5MW，转轮直径达8m。
　　大容量水电站的建设，促进了大型水轮机及其辅助设备安装技术的发展。经过全国各地科研、设计、制造和施工企业科技人员的艰辛努力，不断总结和改进，安装技术在理论上渐趋成熟，实践中日臻完善，取得了良好的经济效益和社会效益。
二、 蜗壳工地水压试验

1　蜗壳水压试验的目的
　　鉴于蜗壳结构和使用上的特殊性，蜗壳工地水压试验的目的是：(1)直观而又全面地反映焊接质量；(2) 检验蜗壳和座环设计的合理性；(3)消除焊接残余应力，提高座环和蜗壳的承载能力和抗应力腐蚀开裂能力；(4)方便实施蜗壳打压埋置法，有效地削减内水压力引起的蜗壳外包混凝土中的拉应力，降低混凝土开裂的可能性。

图1　水压试验总体布置图

图2　机坑内密封方式
2　水压试验的总体布置和机坑内密封方式
　　蜗壳水压试验的总体布置，如图1。升压用型号为3DS2—6／20的三柱塞高压泵，压力大小由安全阀8进行调节。蜗壳水压试验时，首先关闭闸阀9，利用厂房自来水管经闸阀10对蜗壳充水；待蜗壳内部充满水后，再关闭闸阀10，开启闸阀9，用水泵升压［1］。
　　蜗壳水压试验时机坑的密封方式，如图2。座环的上环板和下法兰面处，均安装φ16的耐油橡皮盘根，以利止水。
3　测试用仪器、仪表及测试原理
　　蜗壳工地水压试验的监测项目有：座环变形、蜗壳胀量和座环蜗壳各部主要点的应力值。
　　座环变形和蜗壳胀量的测量仪表为千分表。
　　蜗壳和座环各部的应力，贴直角三轴型应变花用电测法测定，测试原理框图，如图3。

图3　测试原理框图
将应变花粘贴于各监测点处，经应变仪读出各点0°、45°、90°三个方向的应变值，并由式1和式2算出该点的最大主应力值和主应力方向［2］。

式中　σ—最大主应力值；
φ0—最大主应力与0°片方向夹角；
ε0—测点0°片方向应变；
ε45—测点45°片方向应变；
ε90—测点90°片方向应变；
E—拉、压弹性模量；
μ—材料泊桑比。
4　蜗壳工地水压试验的技术经济效果
　　截止目前为止，我国已先后有潘家口、鲁布革、天生桥二级、广蓄、二滩等电站进行了蜗壳工地水压试验，并实施了蜗壳打压埋置法，除达到了水压试验的基本目的外，还取得了良好的技术经济效果。其技术经济效果在于，金属蜗壳进行水压试验后，采用保压(一般为最大水头时的压力值)浇混凝土，减少了蜗壳弹性层的铺设和蜗壳内部加固支撑焊接两道工序，既节约了工程投资，又加快了厂房混凝土浇筑进度。
三、联轴螺栓火焰加热工艺

1　火焰加热装置的基本结构和工作原理

图4　火焰加热装置的基本
结构及工作原理图
　　联轴螺栓火焰加热工艺是利用氧－乙炔火焰加热装置在螺杆内孔对螺栓进行加热。火焰加热装置由燃烧室、焊枪卡口夹套、加热管等部分组成。由于加热时温度可达700～900℃，焊枪卡口夹套和燃烧室均用1 Cr18Ni9Ti不锈钢加工，加热管则用3Cr19Ni4SiN不锈钢加工。0.2～0.5MPa的压缩空气空过燃烧室将氧－乙炔火焰带入联轴螺杆内孔深处；热空气再经螺杆内孔和加热管间间隙返回燃烧室下部，经排气、观察孔逸出，实现对螺杆的均匀加热［3］(参见图4)。
2　螺杆伸长值与螺母转角关系互换计算
　　采用联轴螺栓火焰加热工艺紧固螺栓时，由于加热前后联轴螺杆的温差较大，无法准确测量螺杆紧固后的伸长值，所以通过测量螺母转角相对应的弦长来确定螺栓的紧固程度，待螺栓冷却到常温后再校核其伸长值。
　　设螺杆常温下未受力的长度为C1，预紧(用板手和大锤把紧)后的长度C2，则常温下预紧后螺母的转角α1为：
α1=K(C2-C1)　　　　　　　　　(3)
K=ψ／ΔL　　　　　　　(4)
式中ψ—螺母旋转的总转角(通过试验确定)；
　　ΔL—螺栓设计伸长值。
　　预紧后，螺母还须旋转的角度α2为：
α2=ψ-α1　　　　　　　(5)
将α2换算到螺母支承面外径上的弦长1为：
　　　　　　(6)
式中φ—螺母支承面外径。
　　联轴螺栓预紧后，在螺母外圆上任取一点A，用卡钳和直尺量取1，沿螺母旋转方向在螺母外圆附近的法兰平面上找一点B，A、B两点均作明显标记。待螺栓加热伸长后，旋转螺母使其A点至法兰B点对应位置(参见图5)，螺母紧固即告结束。

图5　螺母转角示意图
3　联轴螺栓火焰加热工艺的综合评价
　　随着机组单机容量的增大，轴向水推力、转轮及主轴重量也随之增大；为保证机组的安全经济运行，联轴螺栓的伸长量已高达1.73mm(天生桥二级)。联轴螺栓火焰加热工艺设备简单，操作方便，通过转角确定螺栓的紧固程度，伸长量误差小。它不仅克服了电极加温法紧固应力相差较大的弱点，还提高了工作效率，降低了劳动强度。
四、 油系统管道氩弧焊封底技术

　　所谓油系统管道氩弧焊封底技术，就是管道接头在施工中采用手工钨极氩弧焊(TIG焊)封底，然后用电弧焊盖面的焊接技术。
1　手工钨极氩弧焊设备及材料
　　手工钨极氩弧焊设备系统由焊接电源、焊炬、供气系统、冷却水路系统、高频引弧器等组成，其系统图如图6［4］。

图6　手工钨极氩弧焊设备系统图
手工钨极氩弧焊用焊接材料包括钨极棒、氩气和填充材料。其钨极棒型号可以选用铈钨极WXe20或钍钨极WTh－10、WTh－15；因水电站油管路材质一般为碳钢、不锈钢和铜及其合金，所以氩气纯度应大于99.7%(体积比)；其填充材料采用专用焊丝，依据焊件材质进行选择。
2　氩弧焊封底技术的操作工艺
　　手工钨极氩弧焊操作工艺与气焊有类似的地方，但也有它本身的特点。
　　(1) 焊前准备。检查电源线路、水路、气路是否正常。钨极棒直径一般为0.5～2.5mm，其端部磨成园锥形，顶部稍留0.5～1mm直径的小圆台为宜。电极的外伸长度为3～5mm左右。工件被焊处按规定开成坡口。两侧距坡口边缘25～30mm处及焊丝要进行清理，并用丙酮擦拭。引弧前应提前5～10s输送氩气，借以排除管中及工件被焊处的空气。
　　(2) 焊接。按工件材料及结构形式选择好合适的参数。起弧方法两种：一种是借高频引弧器引弧；一种是钨极与工件接触或在碳块上接触引弧。
　　在不妨碍视线的情况下，应尽量采用短弧，以增强保护效果，同时减少热影响区宽度和防止工件变形。焊嘴应尽量垂直或保持与工件表面较大的夹角。焊接手法可采用左向焊、右向焊。为了得到必要的宽度，焊枪除作直线运动外，允许作横向摆动。
　　(3) 熄弧。焊接完毕，切断焊接电源后，不应立刻将焊枪抬起，必须在3～5s内继续送出保护气体，直到钨极及熔池区域稍稍冷却以后，停止送气抬起焊枪。若电磁气阀关闭过早，则引起炽热的钨极外伸部分及焊缝表面氧化。
3　油系统管道氩弧焊封底技术评价
　　水轮机及其辅助设备用油均为透平油。透平油在设备中的主要作用是润滑、散热和液压操作。如果油中的机械杂质超过规定值，透平油在摩擦表面的流动便遭受阻碍，破坏油膜，使润滑系统的油管或滤网堵塞和使摩擦部件过热，加大零件的磨损率。此外，还促使油质劣化，减低油的抗乳化性能［5］。如果油中的金属屑进入以透平油作为工作介质的设备(如调速系统、进水阀、调压阀、液压阀等)，将导致操作系统失灵，影响水电站的安全经济运行。氩弧焊封底技术利用隋性气体氩气作为保护气体，因氩气不与金属发生化学作用，且不溶于金属，所以焊缝既无焊渣、也无气孔；从而有效地控制了油中的机械杂质浓度。
　　油系统管道氩弧焊封底技术，采用冲压弯头加直管段进行焊接，取代了现场弯制管道弯头工艺，不仅省去了一套弯管设备，而且能加快施工进度；因而倍受青睐。漫湾、天生桥二级、二滩等电站已将此项技术应用于油系统管道施工，取得了良好的施工效果。
五、结 束 语

　　1.近几年，随着水轮机及其辅助设备的技术进步，还衍生了一些新的安装技术，如导叶摩擦装置和圆筒阀的应用［6，7］就衍生了导叶摩擦装置和圆筒阀的安装技术，限于篇幅，本文不再赘述；有兴趣的读者请查阅文献［6］和文献［7］。
　　2.本文所阐述的三项技术都有以下两个显剧特点：(1)节省投资；(2)缩短工期。天生桥二级(坝索)水电站在＃3水轮发电机组总装中，在总结＃1、＃2机安装经验的基础上，成功的应用联轴螺栓火焰加热工艺和油系统管道氩弧焊封底技术，辅之以施工工艺的优化，创造了大型水轮发电机组总装工期12天的全国新纪录；其＃4机的安装，面对设备缺陷和缺件较多两大困难，仍取得了总装工期14天的好成绩。
　　3.安装技术的进步依赖于全社会的关心、支持与合作；笔者建议全国各地科研单位、高等院校和施工企业在确保科研经费的同时，建立健全信息网络，增强相互间的交流与协作，以加快新技术、新工艺的研制、开发和推广应用。

Abstract ：Using bolts to connect components, bolts pretension is an important factor for measuring the reliability of bolts connections. In order to obtain the required bolt pretension, the general methods for tightening bolts are moment method and rotation angle method today. Ultrasonic long-measuring instrument can measure the small variation of the bolts being tightened and the axial pretension of bolts can be computed. Experiments have shown that using moment method to tighten bolts, the axial pretension is decentralized and difficulty to control, but using rotation angle method, the axial pretension is centralized. That is to say the rotation angle method can control the bolts pretension very good and its reliability is better than moment method.
Keywords：pretension； reliability； moment method； rotation angle method
引言
在国内的一些发动机制造行业中，对于一些高强度螺栓，如主轴螺栓、连杆螺栓、缸盖螺栓等，都是采用力矩法来上紧的。即使用拧紧工具如定力扳手、电动拧紧机等，将螺栓上紧到某一设定力矩即可。这种上紧螺栓的方法，已长期得到广泛使用。在某些企业，上紧螺栓力矩工艺更加复杂，先是用ATLAS扳手将螺栓上到某一力矩值，再用人工复紧到工艺要求设定值。这种方法可靠性如何呢？人工复紧是否存在重复工作？。在国外的先进发动机制造企业，已普遍采用转角法上紧螺栓力矩。即用自动拧紧机将螺栓拧到某一力矩值后，再转过一个角度。这种工艺的优点在于可实现全自动化，生产效率高，控制精度高，一至性很好，消除人为因素影响。
一：螺纹连接基本原理
1、螺栓拧紧过程中的摩擦与扭矩消耗

图 1

螺栓拧紧过程中的摩擦与扭矩消耗如上图所示，根据经验公式有：
式中： 为螺纹副摩擦系数； 为端面摩擦系数；
为螺栓有效直径，粗牙螺纹， 0.906d ，细牙螺纹， 0.928d；
为端面摩擦圆有效直径，
分别为摩擦圆的外径及内径；
d为螺纹公称直径；
为螺纹升角，粗牙螺纹 2°50′，细牙螺纹 2°10′
为垂直截面内的螺纹牙形半角，约为29°58′
经计算可得下表1：

硬连接 软连接
摩擦系数 0.08 0.14
螺栓伸长(夹紧) 20% 12%
螺纹摩擦 35% 39%
端面摩擦 45% 49%
圆饼图：

图2
由表1可知，在上紧力矩的过程中，只有10-20%左右的拧紧力矩转化为螺栓的轴向力。而轴向力（预紧力）是评价螺纹连接可靠性的重要性指标。螺栓松动的重要原因，是预紧力不足，防止螺栓松动的有效措施，就是确保预紧力、提高预紧力。
2、摩擦系数与扭矩系数的关系
摩擦系数是摩擦力与正压力的比值。螺纹联接摩擦可分为螺副摩擦系数μs，端面摩擦系数μw。扭矩系数k是反映螺栓拧紧过程中的扭矩与轴向夹紧力之间关系的经验参数，由T=kd•F给出(式中：T－拧紧力矩；d－螺栓直径；F－轴向夹紧力或螺栓预紧力；。K值越小，螺纹摩擦和端面摩擦所占扭矩消耗比越小。

通过实际测试同一规格同一批次的国产螺栓，其k值变化非常大。故在保证同一规格同一批次螺栓轴向预紧力相同的情况下，由于受到k值变化的影响，测得的拧紧力矩变化非常大。相反，在保证拧紧力矩相同的情况下，测量得的轴向力比较分散。
3、力矩法、转角法螺纹紧固件拧紧过程对比
a、拧紧过程的不同阶段
图3
b、扭矩法
图 4
c、扭矩转角法
图 5

从上图来分析，由于受k值变化的影响，相同的拧紧力矩会得到不同的预紧力，最终轴向预紧力分散（图4）。扭矩转角法拧紧能有效控制螺栓预紧力(轴向力)，避免用扭矩法拧紧时出现的螺栓拉长或拉断现象（图5）。转角法比力矩法更能很好去控制螺栓轴向预紧力的一至性。也就是说，只要合理选择控制参数，转角法比力矩法可靠性更高。
二、试验验证：
选取杆长为121的连杆螺栓作试验，将螺栓两端打磨光滑，用超声波测长仪测量螺栓拧紧力矩后的申长量。
1、力矩法：使用两端磨光螺栓，用拧紧机将螺栓拧紧到220N.m，再用人工复紧到230N.m，测量连杆螺栓伸长量及轴向力如表3。

表 3
螺栓编号 伸长量(mm) 轴向力(KN) 螺栓编号 伸长量(mm) 轴向力(KN) 螺栓编号 伸长量(mm) 轴向力(KN)
1 0.162 86.82 13 0.168 89.86 25 0.174 93.21
2 0.18 96.74 14 0.166 88.9 26 0.149 79.72
3 0.187 100.03 15 0.176 94.13 27 0.174 93.21
4 0.167 89.76 16 0.172 92.05 28 0.173 92.95
5 0.177 95.14 17 0.154 82.77 29 0.178 95.36
6 0.161 86.24 18 0.17 91.08 30 0.183 97.85
7 0.174 93.01 19 0.158 84.69 31 0.172 92.11
8 0.161 86.45 20 0.192 102.75 32 0.163 87.41
9 0.191 102.32 21 0.163 87.42 33 0.178 95.51
10 0.165 88.54 22 0.173 92.75 34 0.163 87.62
11 0.169 90.62 23 0.188 100.99 35 0.167 89.77
12 0.169 90.79 24 0.184 98.61 36 0.159 85.29
轴向力分布为：
轴向力范围 79~85 85．01~90 90．01~95 95．01~100 100．01~105
个数 3 12 11 6 4
极小值 79．72　　极大值102．75　　极差 23．03　　
平均值 91．75 标准差：S1=1.86
直方图：
图 6
2、转角法：使用两端磨光螺栓，用拧紧机按转角法60 N.m＋50°工艺拧紧，不复紧，测量连杆螺栓伸长量及轴向力如表4。

表4
螺栓编号 伸长量(mm) 轴向力(KN) 螺栓编号 伸长量(mm) 轴向力(KN) 螺栓编号 伸长量(mm) 轴向力(KN)
1 0.157 84.03 16 0.152 81.51 31 0.165 88.67
2 0.162 86.95 17 0.15 80.6 32 0.157 84.18
3 0.167 89.57 18 0.15 80.35 33 0.158 84.61
4 0.149 79.64 19 0.153 81.79 34 0.139 84.3
5 0.177 95.01 20 0.165 88.45 35 0.15 80.5
6 0.15 80.39 21 0.132 70.83 36 0.154 82.79
7 0.152 81.73 22 0.156 83.6 37 0.154 82.38
8 0.16 85.79 23 0.147 78.68 38 0.151 81.04
9 0.16 86.01 24 0.159 85.04 39 0.154 82.71
10 0.159 85.06 25 0.157 84.04 40 0.147 78.71
11 0.147 78.92 26 0.137 73.3 41 0.139 74.54
12 0.164 87.85 27 0.145 77.54 42 0.148 79.46
13 0.146 78.23 28 0.161 86.07 43 0.137 83.68
14 0.151 81.11 29 0.152 81.28 44 0.146 78.23
15 0.142 75.99 30 0.146 78.34 45 ------- -------
轴向力分布为：
轴向力范围 70~75 75．01~80 80．01~85 85．01~90 90．01~96
个数 3 10 21 11 1
极小值 70．8……