液壓拉伸法緊固螺栓的流程和計(jì)算探討

范春壘，徐庚，宋健，劉傳豐

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島，266520）

法蘭連接是工程項(xiàng)目中常用的管線連接方式，具有強(qiáng)度高、適用范圍廣、便于拆卸等優(yōu)點(diǎn)。法蘭連接最常用的螺栓緊固方式主要有傳統(tǒng)扳手、扭矩扳手和液壓拉伸，其中扭矩扳手和液壓拉伸因其整個(gè)過程緊固數(shù)據(jù)的可控性，在工程項(xiàng)目中得到越來越廣泛的應(yīng)用。相比于扭矩扳手緊固螺栓，液壓拉伸法通過液壓以及拉伸器對(duì)螺栓軸向拉伸來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，可以消除在緊固過程中螺紋之間以及螺母和法蘭面的摩擦產(chǎn)生的緊固力度偏差，并且可以同時(shí)拉緊多個(gè)螺栓，對(duì)整個(gè)法蘭上的螺栓施加均勻的載荷。因此在緊固可靠性上，液壓拉伸是比扭矩扳手緊固更適用于承載危險(xiǎn)介質(zhì)的大尺寸管道系統(tǒng)。

圖1 液壓拉伸器的結(jié)構(gòu)原理

1 拉伸法緊固螺栓的原理

液壓拉伸器主要由支撐橋、液壓油缸（活塞）和拉伸頭組成。用于拉伸的螺栓要比正常的螺栓長(zhǎng)出一個(gè)螺母的厚度，以便于拉伸頭夾持。

在安裝拉伸器前，需要將螺栓螺母安裝好，非拉伸一側(cè)螺栓漏出螺母2～3絲的長(zhǎng)度。

將拉伸器的螺母套筒套在拉伸一側(cè)的螺母上，將支撐橋穿過螺栓架在法蘭上，支撐橋上放置液壓油缸，再將對(duì)應(yīng)尺寸的拉伸頭擰在長(zhǎng)的螺栓上，用液壓軟管連接油缸和液壓泵。

圖2 液壓拉伸器安裝過程

啟動(dòng)液壓泵，油缸活塞在液壓油驅(qū)動(dòng)下向上頂起拉伸頭，進(jìn)而將螺栓整體拉長(zhǎng)，此時(shí)拉伸側(cè)的螺母被帶離開法蘭面。用撥桿旋轉(zhuǎn)螺母套筒，使螺母緊貼法蘭[1]。

完成上述步驟后，卸去液壓油壓力，螺栓在彈性作用下回縮，載荷轉(zhuǎn)移到螺母上，完成螺栓緊固作業(yè)。

2 拉伸壓力值的計(jì)算

關(guān)于液壓拉伸緊固螺栓的可控性，主要是指該方法可以比較精準(zhǔn)的將螺栓緊固到目標(biāo)應(yīng)力值。液壓拉伸器由液壓泵驅(qū)動(dòng)，在液壓驅(qū)動(dòng)泵出口處裝有壓力表和定壓裝置，在正式拉伸開始之前，需要將定壓裝置設(shè)置到指定壓力值，正式拉伸過程中，壓力漸漸升高，到達(dá)設(shè)定值后液壓泵停止工作。因此計(jì)算拉伸的壓力值十分重要。

拉伸壓力值計(jì)算原理及過程如下。

拉伸到達(dá)指定壓力時(shí)，螺栓因?yàn)榘l(fā)生形變產(chǎn)生的回彈力與拉伸頭對(duì)螺栓的拉力形成一對(duì)作用力與反作用力，兩個(gè)力大小相等，方向相反，也可以說螺栓回彈力與液壓油對(duì)拉伸器油缸的壓力大小相等。

根據(jù)力與壓強(qiáng)的關(guān)系公式：

P螺栓—緊固時(shí)的螺栓應(yīng)力；

A螺栓—螺栓拉應(yīng)力面積[2]；

A活塞—液壓油作用在拉伸頭上的面積，即拉伸器活塞面積，由拉伸器廠家提供；

理想狀態(tài)下，液壓拉伸器的拉力能夠全部轉(zhuǎn)移到螺栓上。但是在實(shí)際操作中，在拉伸器達(dá)到指定拉伸力后，此時(shí)螺栓被整體彈性拉長(zhǎng)，螺母離開法蘭表面，此時(shí)螺母不受力。擰緊螺母卸去拉伸器壓力后，螺母螺紋承受載荷發(fā)生變形，螺栓發(fā)生一定程度的回彈現(xiàn)象，導(dǎo)致螺栓的內(nèi)部應(yīng)力變小，減小的這部分載荷稱之為載荷損失[3]。因此在實(shí)際應(yīng)用中為了能夠達(dá)到目標(biāo)緊固應(yīng)力，在對(duì)螺栓進(jìn)行拉伸時(shí)，需要對(duì)液壓泵的輸出壓力進(jìn)行一定倍率的放大，該倍率稱之為載荷損失系數(shù)KH。

載荷損失系數(shù)KH是由拉伸器廠家通過對(duì)一系列不同尺寸的法蘭螺栓進(jìn)行測(cè)試得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并歸納出計(jì)算公式如下：

其中，

Фb—螺栓直徑；

G—螺栓的有效夾緊長(zhǎng)度，如下圖所示，

圖3 螺栓的有效夾緊長(zhǎng)度

由此，可以得到在實(shí)際拉伸中，液壓泵的實(shí)際輸出壓力P實(shí)際為：

3 法蘭螺栓拉伸緊固步驟

以應(yīng)用比較廣泛的50%覆蓋率拉伸為例，整個(gè)法蘭緊固步驟如下：

1） 在法蘭上所有的螺栓進(jìn)行數(shù)字編號(hào)，1,2,3,4……；

2） 在所有奇數(shù)編號(hào)的螺栓上安裝拉伸器，啟動(dòng)液壓泵，給拉伸器施加壓力A（數(shù)值上等于1.25倍的P實(shí)際），保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后，使用撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)螺母，螺母接觸到法蘭面后稍微用力緊固。釋放液壓泵壓力。再次執(zhí)行本步驟，直到螺母不再有位移。

3） 將拉伸器拆下，轉(zhuǎn)移到偶數(shù)編號(hào)的螺栓上，對(duì)拉伸器施加壓力B（數(shù)值上等于P實(shí)際）。保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后，使用撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)螺母，螺母接觸到法蘭面后稍微用力緊固。釋放液壓泵壓力。再次執(zhí)行本步驟，直到螺母不再有位移。

4） 檢查奇數(shù)編號(hào)的螺栓是否有過度載荷損耗。將拉伸器安裝到隨機(jī)選擇的對(duì)稱奇數(shù)螺栓上，施加壓力B并嘗試緊固螺母，如果螺母不能被進(jìn)一步緊固，則螺栓緊固完成。如果螺母能夠被進(jìn)一步緊固，則將拉伸器安裝到所有奇數(shù)螺栓上并施加壓力B，再一次緊固螺母。緊固后拆除拉伸器。

5） 緊固完成后對(duì)螺栓進(jìn)行最終檢查，用小錘輕輕敲打每個(gè)螺栓，如果產(chǎn)生清一色的敲擊聲音，說明沒有松動(dòng)的螺栓。

4 總結(jié)

液壓拉伸法緊固螺栓因?yàn)槠浔旧淼奶匦?，可以在緊固過程中避免扭轉(zhuǎn)載荷的產(chǎn)生以及對(duì)法蘭面漆的破壞，大大增加了螺栓連接的質(zhì)量和安全性能，同時(shí)在緊固力計(jì)算過程中不需要再考慮摩擦系數(shù)的影響，具有很高的精度，可以實(shí)現(xiàn)真正的同步緊固，因此在各大項(xiàng)目中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。但是液壓拉伸法也有其局限性，例如拉伸器本身由于體積限制，不適用于小尺寸法蘭節(jié)點(diǎn)，緊固作用力直接作用于螺栓，不適合屈服強(qiáng)度低的不銹鋼螺栓等，因此能否采用液壓拉伸法緊固螺栓能否應(yīng)該視具體情況分析。