天荒坪水電站球閥大法蘭螺栓緊固方案

特約撰稿人：凱特克集團(tuán)有限公司市場(chǎng)總監(jiān)王劍波

·凱特克螺栓預(yù)緊力控制技術(shù)推廣·

天荒坪水電站球閥大法蘭螺栓緊固方案

特約撰稿人：凱特克集團(tuán)有限公司市場(chǎng)總監(jiān)王劍波

天荒坪水電站是我國(guó)目前已建和在建的同類電站單個(gè)廠房裝機(jī)容量最大、水頭最高的一座；也是亞洲最大、世界第二的抽水蓄能電站，電站主要設(shè)備均從國(guó)外引進(jìn)，總裝機(jī)容量為6臺(tái)30萬(wàn)千瓦。球閥是抽水蓄能電站的重要設(shè)備之一，在抽水和發(fā)電的時(shí)候水流都是由該球閥來(lái)控制，普通水力發(fā)電站的進(jìn)水閥視其水流通道長(zhǎng)度不同有的也采用球閥。一方面在水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)組檢修時(shí)通過(guò)該閥切斷壓力鋼管內(nèi)的水流，保證檢修的安全；另一方面在水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)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，如果球閥在運(yùn)行中不能滿足工況系統(tǒng)的使用要求，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行。由此可見(jiàn)，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(duì)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(zhǎng)量的要求。

傳統(tǒng)緊固方法的弊端

以前，天荒坪水電站使用傳統(tǒng)的緊固方法“氧—乙炔火焰直接加熱法”，由于其設(shè)備簡(jiǎn)單，操作便捷，曾經(jīng)是早期國(guó)內(nèi)電站施工廣為使用的工藝。但是，使用加熱器進(jìn)行熱緊耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)螺栓的使用壽命影響較大。

在實(shí)際檢修工作中，由于采用傳統(tǒng)的“氧—乙炔火焰直接加熱法”緊固工藝，一方面是緊固效率比較低，需要反復(fù)加熱冷卻以測(cè)量和調(diào)整伸長(zhǎng)量，螺栓緊固精度很難保證；另一方面，螺栓反復(fù)高溫加熱也會(huì)影響螺栓的機(jī)械性能，螺栓材料會(huì)變脆，甚至?xí)霈F(xiàn)裂紋，導(dǎo)致螺栓存在斷裂的隱患。

電廠采用“氧—乙炔火焰直接加熱法”的主要程序是：冷緊螺母→火焰加熱→測(cè)量螺母轉(zhuǎn)角→冷卻至常溫→測(cè)量伸長(zhǎng)量→重復(fù)加熱，由于螺紋加工精度及牙距的差異、接觸變形、螺紋的機(jī)械損傷、銹蝕等多種因素，且轉(zhuǎn)動(dòng)角度無(wú)法準(zhǔn)確人工控制，因此，采用這種方法緊固后螺栓預(yù)緊力將會(huì)出現(xiàn)較大誤差（達(dá)到甚至超過(guò)30%），往往等到冷卻到常溫再測(cè)量其伸長(zhǎng)量是難以達(dá)到預(yù)想設(shè)計(jì)值的。用戶既要消耗工期，還要接受測(cè)量結(jié)果未達(dá)標(biāo)導(dǎo)致的重復(fù)施工，從而更大程度的拖延施工工期的現(xiàn)實(shí)。在水電站現(xiàn)場(chǎng)球閥螺栓實(shí)施火焰加熱方法加熱螺栓時(shí)，整個(gè)過(guò)程較危險(xiǎn)，還需要時(shí)刻冷卻加熱槍，防止回火引爆氧氣瓶。

除了使用火焰加熱緊固方法以外，電站也曾采用液壓扭矩扳手的緊固方法。液壓扳手是通過(guò)克服摩擦力做功，不斷地在螺母上施加轉(zhuǎn)動(dòng)力使螺母沿著螺旋線向下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓緊固。相對(duì)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(wú)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。液壓工具在工作時(shí)因存在外部的反作用力臂，使原來(lái)正常嚙合的螺母和螺栓螺牙產(chǎn)生偏載，從而導(dǎo)致摩擦接觸面變化，轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢深A(yù)測(cè)的摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦力發(fā)生變化。

偏載力還造成螺母下表面與設(shè)備本體面的接觸面發(fā)生變化，摩擦力也產(chǎn)生變化。由于每個(gè)螺栓在緊固需要調(diào)整反作用力臂的支點(diǎn)以獲得牢固的外部支點(diǎn)，所以緊固每一個(gè)螺栓時(shí)外部的支點(diǎn)都不盡相同，反力支點(diǎn)不同導(dǎo)致反力支點(diǎn)產(chǎn)生的偏載力不同，進(jìn)而引起每一個(gè)螺栓緊固時(shí)需要克服的摩擦力不同，最終導(dǎo)致緊固完成后同一個(gè)法蘭面上的每一個(gè)螺栓的螺栓預(yù)緊力誤差較大。反作用力支點(diǎn)與正緊固的螺栓間的距離越短，偏載力越大。偏載力還會(huì)引起螺栓的螺紋破壞，發(fā)生“咬牙”現(xiàn)象。

因此，使用液壓扳手緊固螺栓雖然可以減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，液壓扳手輸出扭矩精確可控，但最終因?yàn)榉醋饔昧Ρ垡鸬钠d造成每個(gè)螺栓緊固結(jié)果不可知。據(jù)權(quán)威中立組織德國(guó)BASF（德國(guó)巴斯夫?qū)嶒?yàn)室）測(cè)試結(jié)果表明，使用液壓扳手的緊固后螺栓預(yù)緊力的精度范圍約15%～30%。

先進(jìn)的緊固方式帶來(lái)更好生產(chǎn)效益

HYTORC先進(jìn)的螺栓緊固方式——無(wú)反作用力臂預(yù)緊力控制緊固技術(shù)，徹底摒棄了加熱和液壓扳手的缺點(diǎn)。無(wú)需反作用力臂無(wú)偏載，拉伸直達(dá)載荷，不需要加熱，緊固過(guò)程中螺栓不跟轉(zhuǎn)，不需要反作用力支點(diǎn)，不需要超拉，不需要人工干預(yù)。

美國(guó)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。但是，由于反作用力臂在緊固螺栓時(shí)給螺栓施加了一個(gè)巨大的側(cè)向力，一方面會(huì)產(chǎn)生巨大的摩擦力，會(huì)大量消耗液壓扳手的驅(qū)動(dòng)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(huì)損壞液壓扳手的外殼和螺栓的螺牙，使螺栓在檢修時(shí)很難拆卸，不得已時(shí)要?jiǎng)佑脷飧钇撇稹?/p>

為此，HYTORC公司在上個(gè)世紀(jì)80年代推出了無(wú)反作用力臂緊固螺栓專利技術(shù)：用一個(gè)自帶反作用力臂的CLAMP拉伸螺母代替常規(guī)螺母，取消了傳統(tǒng)的反作用力臂。用這種方法緊固的螺栓，其預(yù)緊力的精度經(jīng)BASF測(cè)試可以達(dá)到前所未有的±4%。更重要的是，這種機(jī)械式拉伸螺母因其獨(dú)特的三件式結(jié)構(gòu)，緊固時(shí)螺紋內(nèi)套（如下圖部件1）與螺栓桿沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)動(dòng)力工具轉(zhuǎn)動(dòng)螺母的外套（如下圖部件2），使外套沿著軸向向下旋轉(zhuǎn)，底部的花鍵墊片（如下圖部件3）在外套旋轉(zhuǎn)的同時(shí)受壓向下滑動(dòng)，同時(shí)拉伸螺紋內(nèi)套帶著螺栓桿一起向上移動(dòng)與花鍵墊片形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓的緊固。因此在緊固過(guò)程中螺栓不會(huì)跟轉(zhuǎn)，沒(méi)有外部偏載力和扭轉(zhuǎn)力作用在螺栓上，螺栓螺紋不會(huì)發(fā)生“咬牙”現(xiàn)象。螺母與結(jié)合面沒(méi)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，有效的保護(hù)了法蘭面不會(huì)被刮傷。

另外，凱特克的緊固方案都遵循美國(guó)ASME緊固標(biāo)準(zhǔn)，在保證預(yù)緊力精確的同時(shí)，還要保證法蘭結(jié)合面平行閉合，這就要采取對(duì)稱的形式進(jìn)行緊固，由于是由一臺(tái)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(huì)產(chǎn)生法蘭翹邊現(xiàn)象，保證密封效果。針對(duì)球閥工況就是一個(gè)很好的成功案例。

球閥大法蘭螺栓緊固技術(shù)方案

首先對(duì)球閥螺栓工況作了調(diào)研，每個(gè)球閥有32顆M85螺栓，緊固后螺栓伸長(zhǎng)量要求0.6mm±5%(即0.57～0.63mm)，其中，螺母直徑：127mm；螺母形狀:罩蓋螺母；螺母高度：154mm；螺栓等級(jí)及材料：10.8級(jí)；螺栓總長(zhǎng)：413mm；螺栓拉伸量為：0.6mm，通過(guò)計(jì)算所需螺栓預(yù)緊力為1556kN。然后在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際工況進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)載荷測(cè)試儀測(cè)定載荷以及螺栓對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)量，并測(cè)定達(dá)到該載荷所需要的液壓泵設(shè)定壓力。測(cè)試結(jié)果符合要求的精度0.6mm±5%

緊固過(guò)程采用四同步機(jī)具分步驟進(jìn)行緊固。

通過(guò)使用CLAMP螺母結(jié)合液壓扭矩拉伸機(jī)緊固球閥螺栓，無(wú)需加熱、無(wú)需額外反力支撐點(diǎn)，冷拆冷緊，快速安全；一方面節(jié)約了檢修工期，由原來(lái)的一天半時(shí)間減少為3小時(shí)；另一方面，螺栓預(yù)緊力精度得以保證，經(jīng)過(guò)測(cè)量，螺栓的伸長(zhǎng)量完全在要求的0.6mm±5%(0.57～0.63mm)以內(nèi)。

美國(guó)凱特克CLAMP螺母預(yù)緊力控制技術(shù)可以達(dá)到并保證±5%的載荷精度，并且方便實(shí)施，冷拆冷緊，避免螺栓咬牙，效率高，設(shè)備安裝質(zhì)量得到很大提高，檢修周期得到保證，該技術(shù)已經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用，尤其在電力行業(yè)，幫助客戶解決很多螺栓緊固問(wèn)題，值得大家借鑒。