此道非彼道CLAMP拉伸螺母緊固技術(shù)在水電站球閥緊固中的應(yīng)用

上一期在本專欄中，向讀者介紹了電力企業(yè)汽輪機(jī)低壓缸連接體應(yīng)用凱特克螺栓預(yù)緊力控制技術(shù)的案例，本期將繼續(xù)介紹此技術(shù)在電力企業(yè)-天荒坪水電站球閥大法蘭上的應(yīng)用情況。

天荒坪水電站是一座抽水蓄能電站，球閥是抽水蓄能水電站重要設(shè)備之一，在抽水和發(fā)電的時候水流都是由該球閥來控制，其作用是水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)組檢修時通過該閥切斷壓力鋼管水流通道內(nèi)的水流，保證檢修的安全；水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)出現(xiàn)異常時可有效切斷水流，防止事故的發(fā)生。由于水輪機(jī)運(yùn)行的特殊要求，球閥在水電站的運(yùn)行中如果不能滿足工況系統(tǒng)的使用要求，會導(dǎo)致機(jī)組無法運(yùn)行的現(xiàn)象。由此可見球閥的安裝可靠性非常重要，球閥上的螺栓緊固工藝要求也相對比較高，為了保證球閥螺栓緊固力的精確均勻性，通常這些螺栓都作了伸長量的處理。

企業(yè)在連接處緊固中通常用傳統(tǒng)“氧—乙炔火焰槍直接加熱法”，由于其設(shè)備簡單，操作便捷，曾經(jīng)是一種早期國內(nèi)電站施工廣為使用的工藝。

而焊槍火焰對螺栓孔內(nèi)的溫度是相當(dāng)之高的，并存在不同的溫度，靠近內(nèi)焰區(qū)域溫度最高，而外焰所處區(qū)域漸次延伸。對螺栓造成熱損傷，高溫使材料受到應(yīng)力作用，在孔壁的薄弱處（如粗加工刀痕）產(chǎn)生橫向裂紋。

因此，氧乙炔火焰加熱的缺點(diǎn)是火焰溫度高，而且集中，容易造成加熱孔壁局部金屬過熱，產(chǎn)生較大的應(yīng)力，金相組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，長期使用會降低螺栓使用壽命，由熱損傷產(chǎn)生的裂紋在運(yùn)行中繼續(xù)發(fā)展，直至螺栓斷裂或在裝卸過程中被擰斷。并且耗時長，存在回火危險等弊病，故，“氧—乙炔火焰直接加熱法”在緊固中是不適宜的方法。

隨著科技的發(fā)展，緊固螺栓的工藝也在不斷創(chuàng)新，20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)了新的一種螺栓緊固工具——液壓扳手，這種工具是通過克服摩擦力做功，實(shí)現(xiàn)對螺栓緊固的，相對于“氧—乙炔火焰直接加熱法”而言，這是一種很大的進(jìn)步，因?yàn)闊o需加熱，在緊固效率上已經(jīng)有了很大的改善；但是液壓扳手也有自身的不足。

由于是克服摩擦力做功，控制的是扭矩，而非預(yù)緊力，使用液壓扳手緊固的螺栓預(yù)緊力精度一般在30%以內(nèi)，因此不能精確控制螺栓預(yù)緊力即螺栓伸長量。

液壓扳手存在“偏載”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象容易導(dǎo)致螺栓螺母咬牙。

用液壓扳手緊固螺栓時，雖然可以設(shè)定轉(zhuǎn)動螺栓的扭矩，但必須要有一個反作用力臂來平衡驅(qū)動力，否則機(jī)具就原地打轉(zhuǎn)了。根據(jù)力矩平移定律，此時液壓扳手的效果等效于一個力偶加上一個與此力偶垂直的側(cè)向力。由于螺栓和螺母之間的螺紋為面接觸，有間隙，此側(cè)向力將螺紋之間的面接觸改變成線接觸，大大增加了螺紋之間的摩擦系數(shù)，隨著正壓力的增加，摩擦阻力也在增加。而隨著反作用力臂支點(diǎn)的變化，一方面會使螺紋之間線接觸的角度發(fā)生變化，從而引起摩擦系數(shù)發(fā)生變化；另一方面會使側(cè)向力的大小相差很大，導(dǎo)致每條螺栓在緊固時產(chǎn)生的實(shí)際摩擦阻力會相差很大。液壓扳手緊固螺栓時的照片如圖1。

雖然液壓扳手給每條螺栓都提供了相似的緊固力矩，但是在克服了未知、而且不同的摩擦阻力后，剩余的力矩才能轉(zhuǎn)化成預(yù)緊力，所以每條螺栓的預(yù)緊力數(shù)值也不同，而且還是個未知數(shù)，通過實(shí)際試驗(yàn)測量出螺栓的預(yù)緊力的精度約為±15%～30%。

圖1 帶反作用力臂液壓扳手

美國HYTORC公司在1968年發(fā)明了世界上第一部帶反作用力臂的液壓扳手，為世人提供了能夠緊固大尺寸螺栓的機(jī)具，幫助工人扔掉了大錘。

但是，這個反作用力臂也帶來了巨大的負(fù)面的影響，如：不知道緊固后的螺栓實(shí)際的預(yù)緊力是多少？由于反作用力臂在緊固螺栓時，給螺栓施加了一個巨大的側(cè)向力，這個側(cè)向力和反作用力臂的長度有關(guān)，往往在幾噸的數(shù)量級，這么大的力作用到一個小小的螺拴上，一方面會產(chǎn)生巨大的摩擦力，會大量消耗液壓扳手的驅(qū)動力，使螺栓的預(yù)緊力達(dá)不到預(yù)定的值，另一方面容易夾傷操作人員的手指，還會損壞液壓扳手的外殼和螺栓的螺牙，使螺栓在檢修時很難拆卸，不得已時要動用氣割破拆。

為取消反作用力臂，HYTORC公司在20世紀(jì)90年代初首次推出了一項無反作用力臂緊固螺栓的專利技術(shù)。

用一個自帶反作用力臂的CLAMP拉伸螺母（圖2）由內(nèi)套筒，外套筒和墊圈組成，代替常規(guī)螺母。

工作原理：內(nèi)套筒的內(nèi)壁有細(xì)牙內(nèi)螺紋，和螺栓的螺紋嚙合，內(nèi)套筒外壁有梯形的外螺紋和外套筒的內(nèi)螺紋嚙合。當(dāng)機(jī)具順時針轉(zhuǎn)動外套筒時，使內(nèi)套筒得到一個向上的力，在提升套筒時，因?yàn)閮?nèi)套筒的細(xì)螺紋和螺栓的細(xì)螺紋嚙合，就把提升力傳遞到螺栓，于是螺栓也被提升，這個力垂直向上，沒有偏載，同時對外套筒有一個垂直向下的力，該力作用到墊圈上，并通過該墊圈作用到法蘭面。轉(zhuǎn)動外套筒產(chǎn)生的反作用力矩，通過外套筒傳遞到機(jī)具上，機(jī)具的外殼和內(nèi)套筒上部的鍵槽嚙合，而內(nèi)套筒下端外側(cè)有齒形花鍵插入墊圈內(nèi)壁的齒形鍵槽中，是可以垂直移動而不能轉(zhuǎn)動的，從而巧妙地平衡了反作用力矩，CLAMP拉伸螺母就這樣取消了傳統(tǒng)的反作用力臂。

圖2 CLAMP拉伸螺母結(jié)構(gòu)圖

由于在拉伸螺母內(nèi)部控制了所有相對運(yùn)動部件的摩擦力，使各條螺栓產(chǎn)生的摩擦阻力相對一致。由液壓機(jī)具（圖3）產(chǎn)生（相對一致）的扭矩，減去了螺栓（相對一致）的摩擦力后，所剩的扭矩也相對一致，所剩扭矩轉(zhuǎn)變成螺栓的預(yù)緊力也相對一致了。用這種方法緊固的螺栓，其預(yù)緊力的精度經(jīng)BASF（德國巴斯夫?qū)嶒?yàn)室）測試為±4%，在實(shí)際應(yīng)用時取±5%。

圖3 CLAMP拉伸螺母和驅(qū)動機(jī)具

另外，凱特克的緊固方案都遵循美國ASME緊固標(biāo)準(zhǔn)，在保證預(yù)緊力精確的同時，還要保證法蘭結(jié)合面平行閉合，這就要采取對稱的形式進(jìn)行緊固，由于是由同一臺泵站提供壓力，因此每部緊固機(jī)具的緊固力都一致，這樣就不會產(chǎn)生法蘭翹邊現(xiàn)象，保證密封效果。如圖4所示同步緊固技術(shù)。

圖4 同步緊固技術(shù)

CLAMP拉伸螺母在天荒坪水電站球閥大法蘭螺栓緊固中的應(yīng)用（圖5）

圖5 現(xiàn)場使用CLAMP螺母緊固球閥螺栓

首先先對球閥螺栓工況作了調(diào)研，每個球閥有32顆M85螺栓，緊固后螺栓伸長量要求 0.6 mm±5%（即 0.57～0.63 mm），然后在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際工況進(jìn)行測試。

圖6為載荷測試儀測定載荷以及螺栓對應(yīng)伸長量。測試結(jié)果符合要求的精度0.6 mm±5%。

接下來進(jìn)行現(xiàn)場安裝，現(xiàn)場安裝情況如圖7。

圖6 千分表測伸長量和載荷表測載荷

圖7 現(xiàn)場安裝CLAMP螺母照片

通過使用CLAMP螺母結(jié)合液壓扭矩拉伸機(jī)緊固球閥螺栓，無需加熱、無需額外反力支撐點(diǎn)，冷拆冷緊，快速安全；一方面縮短了檢修工期，由原來的一天半時間減少為3 h；另一方面，螺栓預(yù)緊力精度得以保證，經(jīng)過測量，螺栓的伸長量完全在要求的0.6 mm±5%（0.57～0.63 mm）以內(nèi)。

通過對傳統(tǒng)舊工藝焊槍加熱緊固，液壓扳手緊固，反作用力臂液壓扳手，CLAMP拉伸螺母拉伸達(dá)載荷幾種技術(shù)的詳細(xì)分析及實(shí)驗(yàn)，最終根據(jù)數(shù)據(jù)得出，使用CLAMP拉伸螺母拉伸達(dá)載荷技術(shù)，可進(jìn)行冷拆冷裝，省時減耗，安全準(zhǔn)確。對天荒坪水電廠球閥大法蘭螺栓緊固采用了此技術(shù)，獲得成功。正所謂山外山，樓外樓，凱特克CLAMP拉伸螺母預(yù)緊力控制技術(shù)之道摒棄了傳統(tǒng)舊工藝那條道，此道，真功夫也！