熱緊固螺栓預(yù)設(shè)拉伸值與實際拉伸值關(guān)系及經(jīng)驗值研究

鄧艷軍

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

熱緊固螺栓預(yù)設(shè)拉伸值與實際拉伸值關(guān)系及經(jīng)驗值研究

鄧艷軍

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

摘要：螺栓加熱緊固法是普遍應(yīng)用于大直徑螺栓緊固的方法之一。在實際操作螺栓加熱緊固的過程中，存在很難通過控制預(yù)設(shè)拉伸值來得到所需實際拉伸值的問題，通常需對螺栓進(jìn)行反復(fù)加熱，以調(diào)整其實際拉伸值至設(shè)計拉伸值。螺栓的反復(fù)加熱造成了工期的延誤及人力物力的損失。針對這一問題，以五凌電力近尾洲水電廠（燈泡貫流式機組）槳葉連接螺栓加熱緊固為例，對熱緊固螺栓的預(yù)設(shè)拉伸值與實際拉伸之間的關(guān)系、熱緊固螺栓一次加熱到位經(jīng)驗值的計算方法進(jìn)行研究，為同類型熱緊固螺栓提供高效率緊固的方法，以推進(jìn)工期、減少人力物力的損失。

關(guān)鍵詞：螺栓加熱緊固法；預(yù)設(shè)拉伸值；實際拉伸值；熱緊固螺栓；一次加熱到位經(jīng)驗值

0　引言

螺栓加熱緊固法是普遍應(yīng)用于大直徑螺栓緊固的方法之一，其工作原理是對螺栓進(jìn)行加熱處理，待螺栓加熱伸長后擰緊螺母，其冷卻過程將會發(fā)生因溫度降低引起的螺栓冷收縮現(xiàn)象，由于螺栓與螺母之間相互擠壓，故其螺栓冷卻后不再回復(fù)至原長度，螺栓處于被拉伸狀態(tài)，產(chǎn)生預(yù)緊力，螺栓被緊固，當(dāng)該預(yù)緊力與設(shè)計預(yù)緊力差值在允許范圍內(nèi)，該螺栓緊固合格。在加熱緊固過程中，螺栓實際拉伸值是檢驗螺栓是否緊固合格的直觀依據(jù)，在實際操作螺栓加熱緊固的過程中，通常需對螺栓進(jìn)行反復(fù)加熱，以調(diào)整其實際拉伸值至設(shè)計拉伸值，其過程所需工期長（近尾洲水電廠槳葉連接螺栓從加熱緊固至完全冷卻需近6 h），對人力物力損耗較大。文章針對這一問題，以五凌電力近尾洲水電廠（燈泡貫流式機組）槳葉連接螺栓加熱緊固為例，對熱緊固螺栓的設(shè)計拉伸值計算、拉伸值與玄長關(guān)系計算、加熱緊固過程分析、熱緊固螺栓的預(yù)設(shè)拉伸值與實際拉伸之間的關(guān)系、熱緊固螺栓一次加熱到位經(jīng)驗值的計算方法進(jìn)行全面詳細(xì)的研究推導(dǎo)，為同類型熱緊固螺栓提供高效率緊固的方法，以推進(jìn)工期、減少人力物力的損失。

1　近尾洲水電廠槳葉連接螺栓簡介及加熱緊固設(shè)計伸長值計算

1.1近尾洲水電廠槳葉連接螺栓簡介

近尾洲水電廠水輪發(fā)電機組為燈泡貫流式機組，水輪機型號：VAMCE KR4/63，水輪機為卡普蘭結(jié)構(gòu)，直徑為6.3m，每個轉(zhuǎn)輪上呈90°方向安裝有4片槳葉，每片槳葉使用6顆槳葉連接螺栓將槳葉緊固連接在轉(zhuǎn)輪上，一個轉(zhuǎn)輪上共有24個槳葉連接螺栓。槳葉連接螺栓型號為M90×3，螺紋長度為85mm，單個螺栓重量為23.8 kg，材質(zhì)為50CrMo4V,加熱溫度為296℃，預(yù)緊力為1 952 kN。槳葉連接螺栓使用電加熱法進(jìn)行緊固及拆除，中間設(shè)計有一通孔，用于加熱時放置電加熱棒，其具體螺栓尺寸見圖1。

圖1　槳葉連接螺栓圖

1.2螺栓加熱緊固設(shè)計伸長值計算

1.2.1螺栓設(shè)計伸長值計算公式

近尾洲水電廠槳葉連接螺栓采用電加熱法使螺栓熱拉伸，并通過伸長量控制預(yù)緊力。由于加熱伸長螺栓的伸長量只和螺栓的應(yīng)力有關(guān)，故預(yù)緊力0與設(shè)計伸長量△的計算公式為：

1.2.2螺紋的應(yīng)力截面積計算公式

1.2.3近尾洲水電廠槳葉連接螺栓M90×3應(yīng)力截面積計算

1.2.4近尾洲水電廠槳葉連接螺栓設(shè)計伸長值計算

考慮相關(guān)誤差，可確定近尾洲水電廠槳葉連接螺栓設(shè)計拉伸值為：△=0.66±0.05mm

2　近尾洲水電廠槳葉連接螺栓拉伸值與外圓弦長值關(guān)系

為達(dá)到預(yù)期的加熱目的（螺栓實際拉伸值為設(shè)計拉伸值），加熱前采用直觀易控制的轉(zhuǎn)角法確定螺栓拉伸值所需的外圓弦長。外圓弦長值與螺栓拉伸值△的關(guān)系公式推算如下：

螺栓轉(zhuǎn)角計算公式：

將角度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)圓周上的弦長，公式為：

將公式（6）代入公式（7）得出公式：

弦長與伸長值關(guān)系如下表1所示。

表1　伸長值△與弦長值對應(yīng)關(guān)系表（單位mm）

表1　伸長值△與弦長值對應(yīng)關(guān)系表（單位mm）

△L 　S 　　△L 　S 　　△L 　S 　　△L 　S 0.01 　2 　0.26 　47 　0.51 　90 　0.97 　150 0.02 　4 　0.27 　49 　0.73 　122 　0.98 　151 0.03 　6 　0.28 　51 　0.74 　123 　0.99 　151 0.04 　7 　0.29 　53 　0.75 　124 　1 　152 0.05 　9 　0.3 　54 　0.76 　126 　1.01 　153 0.06 　11 　0.31 　56 　0.77 　127 　1.02 　154 0.07 　13 　0.32 　58 　0.78 　128 　1.03 　155 0.08 　15 　0.33 　60 　0.79 　130 　1.04 　156 0.09 　17 　0.34 　61 　0.8 　131 　1.05 　157 0.1 　18 　0.35 　63 　0.81 　132 　1.06 　158 0.11 　20 　0.36 　65 　0.82 　133 　1.07 　158 0.12 　22 　0.37 　66 　0.83 　134 　1.08 　159 0.13 　24 　0.38 　68 　0.84 　136 　1.09 　160 0.14 　26 　0.39 　70 　0.85 　137 　1.1 　161 0.15 　28 　0.4 　72 　0.86 　138 　1.11 　162 0.16 　29 　0.41 　73 　0.87 　139 　1.12 　162 0.17 　31 　0.42 　75 　0.88 　140 　1.13 　163 0.18 　33 　0.43 　77 　0.89 　141 　1.14 　164 0.19 　35 　0.44 　78 　0.9 　142 　1.15 　164 0.2 　37 　0.45 　80 　0.91 　143 　1.16 　165 0.21 　38 　0.46 　82 　0.92 　145 　1.17 　166 0.22 　40 　0.47 　83 　0.93 　146 　1.18 　166 0.23 　42 　0.48 　85 　0.94 　147 　1.19 　167 0.24 　44 　0.49 　86 　0.95 　148 　1.2 　167 0.25 　46 　0.5 　88 　0.96 　149 　1.21 　168

3　近尾洲水電廠槳葉連接螺栓加熱膨脹、緊固、冷卻過程分析

3.1近尾洲水電廠槳葉連接螺栓加熱前與加熱膨脹

完成后螺栓伸長量分析

槳葉連接螺栓加熱前與槳葉緊密結(jié)合，加熱過程中因溫度變化引起螺栓拉伸，其過程示意圖見下圖2。

3.2螺栓加熱緊固與冷卻至常溫后螺栓伸長量變化

分析

槳葉連接螺栓加熱后對其進(jìn)行緊固，緊固后螺栓溫度逐步由高溫（296℃左右）降為常溫（20℃左右），期間因溫度變化引起螺栓長度的減少，其過程示意圖如圖3。

圖2　螺栓加熱前與加熱膨脹完成后伸長量變化示意圖

圖3　螺栓加熱緊固與冷卻至常溫后螺栓伸長量變化示意圖

3.3近尾洲水電廠槳葉連接螺栓應(yīng)力與應(yīng)變分析

槳葉連接螺栓由溫度變化（296℃左右變化為20℃左右）引起長度收縮，由于槳葉連接螺栓外螺紋與槳葉接力器拐臂內(nèi)螺紋相互接觸，故在槳葉連接螺栓內(nèi)部將產(chǎn)生方向與收縮方向相同的拉應(yīng)力1，槳葉連接螺栓外螺紋受到槳葉接力器拐臂內(nèi)螺紋壓應(yīng)力2，如圖4所示。

圖4　槳葉連接螺栓冷卻過程受力分析

4　熱緊固螺栓預(yù)設(shè)伸長值與實際伸長值關(guān)系研究及一次加熱到位經(jīng)驗值計算

4.1熱緊固螺栓預(yù)設(shè)伸長值與實際伸長值關(guān)系公式研究

通過公式（10），可以得知當(dāng)物體內(nèi)兩方向相反應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變相等時，其內(nèi)應(yīng)力為0，即不再發(fā)生形變，此時為最終冷卻拉伸狀態(tài)。因此ε1與△3大小相同，即：

將公式（12）（13）代入公式（11）得出

將公式（14）代入公式（9）得出加熱螺栓預(yù)設(shè)伸長值與實際伸長值關(guān)系公式如下：

4.2熱緊固螺栓預(yù)設(shè)伸長值與實際伸長值關(guān)系公式拓展

近尾洲水電廠槳葉轉(zhuǎn)輪裝配圖槳葉部分如圖5所示。在實際加熱緊固過程中槳葉與槳葉樞軸結(jié)合面會存在間隙值X1，槳葉樞軸與槳葉接力器拐臂結(jié)合面存在間隙值X2；當(dāng)X1、X2值少于0.03mm時，可忽略不計，應(yīng)視為0。此時，熱緊固螺栓預(yù)設(shè)伸長值與實際伸長值關(guān)系公式應(yīng)為；

圖5　近尾洲水電廠轉(zhuǎn)輪裝配圖槳葉部分

5　結(jié)論

5.1熱緊固螺栓預(yù)設(shè)伸長值與實際伸長值

熱緊固螺栓預(yù)設(shè)伸長值與實際伸長值關(guān)系公式：

5.2近尾洲水電廠槳葉連接螺栓一次加熱到位經(jīng)驗值

由于一次加熱到位要求實際伸長量等于設(shè)計伸長量（0.66±0.05mm），選擇△3=0.66mm，則一次加熱到位經(jīng)驗值為△1=3△3=0.99mm，對應(yīng)伸長值△2與弦長值對應(yīng)關(guān)系表，得出預(yù)設(shè)弦長值為151mm。

5.3熱緊固螺栓一次加熱到位注意事項

（1）螺栓加熱應(yīng)對稱加熱；為防止加熱過程螺栓咬死現(xiàn)象，應(yīng)合理設(shè)計螺栓受熱區(qū)域，加熱工具應(yīng)避免直接對螺紋進(jìn)行加熱，并在加熱前在螺紋上涂抹螺紋防咬死劑；加熱過程中螺栓加熱溫度不應(yīng)高于螺栓發(fā)生熱處理反應(yīng)的最低溫度，加熱時間不宜過長或過短。

（3）該公式可作為螺栓加熱后拉伸值調(diào)整的理論依據(jù)，一般情況下，由于螺栓已有拉伸值，螺栓與螺母間存在相應(yīng)的預(yù)緊力，此時槳葉與槳葉樞軸結(jié)合面間隙值X1、槳葉樞軸與槳葉接力器拐臂結(jié)合面間隙值X2均小于0.03mm，視為0mm。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁喜慶.材料力學(xué)[M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[2]成大光.機械設(shè)計手冊[M].5版.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

中圖分類號：TK730.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）08-0077-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.023

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：鄧艷軍（1986-），男，助理工程師，從事水電廠機械設(shè)備檢修工作。