天荒坪水電站球閥大法蘭螺栓緊固方案

特約撰稿人：凱特克集團有限公司市場總監(jiān)王劍波

·凱特克螺栓預緊力控制技術(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：凱特克集團有限公司市場總監(jiān)王劍波

天荒坪水電站是我國目前已建和在建的同類電站單個廠房裝機容量最大、水頭最高的一座；也是亞洲最大、世界第二的抽水蓄能電站，電站主要設備均從國外引進，總裝機容量為6臺30萬千瓦。球閥是抽水蓄能電站的重要設備之一，在抽水和發(fā)電的時候水流都是由該球閥來控制，普通水力發(fā)電站的進水閥視其水流通道長度不同有的也采用球閥。一方面在水輪機及發(fā)電機組檢修時通過該閥切斷壓力鋼管內(nèi)的水流，保證檢修的安全；另一方面在水輪機及發(fā)電機出現(xiàn)異常時可有效切斷水流，防止事故的發(fā)生。由于水輪機運行的特殊要求，如果球閥在運行中不能滿足工況系統(tǒng)的使用要求，則會導致機組無法正常運行。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”，由于其設備簡單，操作便捷，曾經(jīng)是早期國內(nèi)電站施工廣為使用的工藝。但是，使用加熱器進行熱緊耗時長，對螺栓的使用壽命影響較大。

在實際檢修工作中，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，需要反復加熱冷卻以測量和調(diào)整伸長量，螺栓緊固精度很難保證；另一方面，螺栓反復高溫加熱也會影響螺栓的機械性能，螺栓材料會變脆，甚至會出現(xiàn)裂紋，導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→測量螺母轉(zhuǎn)角→冷卻至常溫→測量伸長量→重復加熱，由于螺紋加工精度及牙距的差異、接觸變形、螺紋的機械損傷、銹蝕等多種因素，且轉(zhuǎn)動角度無法準確人工控制，因此，采用這種方法緊固后螺栓預緊力將會出現(xiàn)較大誤差（達到甚至超過30%），往往等到冷卻到常溫再測量其伸長量是難以達到預想設計值的。用戶既要消耗工期，還要接受測量結(jié)果未達標導致的重復施工，從而更大程度的拖延施工工期的現(xiàn)實。在水電站現(xiàn)場球閥螺栓實施火焰加熱方法加熱螺栓時，整個過程較危險，還需要時刻冷卻加熱槍，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。液壓扳手是通過克服摩擦力做功，不斷地在螺母上施加轉(zhuǎn)動力使螺母沿著螺旋線向下轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對螺栓緊固。相對于“氧—乙炔火焰直接加熱法”而言，這是一種很大的進步，因為無需加熱，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。液壓工具在工作時因存在外部的反作用力臂，使原來正常嚙合的螺母和螺栓螺牙產(chǎn)生偏載，從而導致摩擦接觸面變化，轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢深A測的摩擦，進而導致摩擦力發(fā)生變化。

偏載力還造成螺母下表面與設備本體面的接觸面發(fā)生變化，摩擦力也產(chǎn)生變化。由于每個螺栓在緊固需要調(diào)整反作用力臂的支點以獲得牢固的外部支點，所以緊固每一個螺栓時外部的支點都不盡相同，反力支點不同導致反力支點產(chǎn)生的偏載力不同，進而引起每一個螺栓緊固時需要克服的摩擦力不同，最終導致緊固完成后同一個法蘭面上的每一個螺栓的螺栓預緊力誤差較大。反作用力支點與正緊固的螺栓間的距離越短，偏載力越大。偏載力還會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強度，液壓扳手輸出扭矩精確可控，但最終因為反作用力臂引起的偏載造成每個螺栓緊固結(jié)果不可知。據(jù)權(quán)威中立組織德國BASF（德國巴斯夫?qū)嶒炇遥y試結(jié)果表明，使用液壓扳手的緊固后螺栓預緊力的精度范圍約15%～30%。

先進的緊固方式帶來更好生產(chǎn)效益

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

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。但是，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，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，使螺栓的預緊力達不到預定的值，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。

為此，HYTORC公司在上個世紀80年代推出了無反作用力臂緊固螺栓專利技術(shù)：用一個自帶反作用力臂的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，其預緊力的精度經(jīng)BASF測試可以達到前所未有的±4%。更重要的是，這種機械式拉伸螺母因其獨特的三件式結(jié)構(gòu)，緊固時螺紋內(nèi)套（如下圖部件1）與螺栓桿沒有轉(zhuǎn)動，通過動力工具轉(zhuǎn)動螺母的外套（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)的同時受壓向下滑動，同時拉伸螺紋內(nèi)套帶著螺栓桿一起向上移動與花鍵墊片形成相對運動，實現(xiàn)對螺栓的緊固。因此在緊固過程中螺栓不會跟轉(zhuǎn)，沒有外部偏載力和扭轉(zhuǎn)力作用在螺栓上，螺栓螺紋不會發(fā)生“咬牙”現(xiàn)象。螺母與結(jié)合面沒有相對轉(zhuǎn)動，有效的保護了法蘭面不會被刮傷。

另外，凱特克的緊固方案都遵循美國ASME緊固標準，在保證預緊力精確的同時，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行緊固，由于是由一臺泵站提供壓力，因此每部緊固機具的緊固力都一致，這樣就不會產(chǎn)生法蘭翹邊現(xiàn)象，保證密封效果。針對球閥工況就是一個很好的成功案例。

球閥大法蘭螺栓緊固技術(shù)方案

首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0.6mm±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；螺栓等級及材料：10.8級；螺栓總長：413mm；螺栓拉伸量為：0.6mm，通過計算所需螺栓預緊力為1556kN。然后在實驗室模擬實際工況進行測試，通過載荷測試儀測定載荷以及螺栓對應伸長量，并測定達到該載荷所需要的液壓泵設定壓力。測試結(jié)果符合要求的精度0.6mm±5%

緊固過程采用四同步機具分步驟進行緊固。

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

美國凱特克CLAMP螺母預緊力控制技術(shù)可以達到并保證±5%的載荷精度，并且方便實施，冷拆冷緊，避免螺栓咬牙，效率高，設備安裝質(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)達國家得到廣泛應用，尤其在電力行業(yè)，幫助客戶解決很多螺栓緊固問題，值得大家借鑒。