風電用Φ40 mm熱軋高強度錨桿螺栓的開發

楊繼偉，周凱，史國明（天津市天鐵軋二制鋼有限公司，天津300400）

風電用Φ40 mm熱軋高強度錨桿螺栓的開發

楊繼偉，周凱，史國明
（天津市天鐵軋二制鋼有限公司，天津300400）

介紹了風電用高強度錨桿螺栓開發的過程及其產品特點。通過重新設計軋制孔型、調整軋制工藝和后續熱處理工藝，生產出滿足高尺寸精度要求、高強度和延伸性能優良的鋼筋，可替代機加工方法生產的高強度錨桿螺栓產品，用于風電基礎和風機塔架連接。

風電高強度錨桿螺栓孔型熱軋熱處理

圖1 高強度錨桿螺栓外形、橫截面圖

1 概述

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，我國風能儲量很大、分布面廣，開發利用潛力巨大，近年來風電產業發展較快。

2009年國內引進美國地球系統公司的P&H無張力灌注樁基礎是利用單樁支持風機的一種美國專利基礎。風機基礎設計采用大直徑精軋螺紋鋼筋材料，由美國地球系統公司與國內風電企業合作共同開發，是全新形式的基礎結構。

原來該基礎使用的錨桿螺栓為熱軋圓棒材，在兩端經過車制成螺紋扣后再進行熱處理完成，在國內只有極少數廠家可以加工生產。產品主要由美國進口，其價格每噸高達人民幣1萬多元。為降低產品生產成本，保證產品供應，占領高端產品市場，滿足風電基礎施工的需要，我公司決定開發符合《美國風機基礎所需材料規范》的直接熱軋成型的新外形高強度Φ40 mm精軋螺紋鋼筋（該規范對鋼筋提出了更高的要求，鋼筋螺紋間距由國家標準要求的20 mm縮小至8 mm）。根據需方要求，我公司制定了《天鐵軋二Φ40 mm風電用高強度精軋螺紋鋼筋及錨具技術條件》，進行了相關的產品生產工藝設計，成功開發出符合要求的風電用高強度精軋螺紋鋼筋及錨具。產品定型后將品名改為高強錨桿螺栓，已申請實用新型專利，已為國家知識產權局受理。我公司開發生產的新外形Φ40 mm精軋螺紋鋼筋（高強錨桿螺栓）性能優良，已在上述風電基礎結構上得到成功應用。

2 產品研發過程

2.1 高強度錨桿螺栓形狀

所研發的熱軋高強錨桿螺栓外形及橫截面如圖1所示。

2.2 生產設備及工藝流程

我公司連軋分廠擁有目前國內較為先進的工藝生產線，工藝技術裝備精良。生產線采用側進側出步進梁式加熱爐加熱均勻，可以減少金屬燒損，操作靈活方便。軋機引進世界先進的意大利POMINI第五代紅圈軋機，由18架組成全連續軋制線，平-立交替布置，無扭轉，軋制產品精度高，最高軋制速度可以達到18 m/s。

高強錨桿螺栓產品工藝流程是：加熱→軋制→分段剪切→冷床冷卻→定尺剪切→堆冷→等溫熱處理→鋸切（成品）。

2.3 軋輥孔型設計

軋制錨桿螺栓為通身右旋螺紋，外形與普通精軋螺紋相似，鋼筋上面兩橫肋成螺旋形分布，可旋進螺母。軋制采用連軋棒材生產國標精軋鋼筋使用的“箱→平箱→平橢→圓→橢圓→圓→平橢→圓螺紋”孔型系統。

熱軋螺紋鋼筋與機加工產品相比自身存在不可避免的缺點。因為熱軋出的鋼筋在上下兩條軋輥的輥縫處是沒有螺紋的（見圖1），當螺母擰到螺紋鋼筋上時，與機加工的全螺紋產品相比，鋼筋螺紋與螺母之間的接觸面積就減少了；此外熱軋產品的精度低于機加工的全螺紋產品。為保證螺紋與螺母之間盡量大的接觸面積，并且配合緊密，我們對成品前、成品軋輥孔型進行了重新設計，將成品前的平橢孔型和成品的螺紋槽型做了改進，成品前孔減小平橢圓的大圓角，并將平橢圓中部的凸度形狀改變，由原來的反圓弧改為折線，這樣增加了螺紋輥縫方向金屬的充滿度。

成品前孔修改的孔型圖如圖2所示。

圖2 修改前（左）后（右）的成品前孔型

將成品孔的螺紋斷面形狀設計為大傾角梯形螺紋（如圖1所示），橫肋側面與鋼筋表面的夾角由原來的45°改為70°，使得在螺紋底寬減小的情況下，相對的剪切面積增大。

2.4 檢驗螺母的制作

為保證熱軋帶肋鋼筋與螺母的緊密連接，用于檢測鋼筋螺紋質量的檢驗螺母必須嚴格保證加工精度和螺紋表面的光潔度，符合《天鐵軋二Φ40 mm風電用高強度精軋螺紋鋼筋及錨具技術條件》的要求。

2.5 軋輥孔型的加工

錨桿螺栓外形螺紋間距的精確程度至關重要，為保證螺紋與螺母的均勻配合，與原用國標Φ40 mm高強度精軋螺紋鋼筋相比，所開發的高強錨桿螺栓產品在螺紋底窄的情況下，增加了螺紋與螺母的咬合數，由原來4～5扣，增加到8～9扣，由累計誤差造成的螺母旋進困難程度增加了1倍；而且要求錨桿螺栓的螺桿與螺母之間的間隙框量小，配合緊密。因此，要求錨桿螺栓外形螺紋間距誤差必須達到與機加工誤差相同的范圍以內，即錨桿螺栓外形螺紋間距誤差控制在±0.05 mm以內。

成品孔型加工時，根據經驗數據和試軋數據進行綜合分析，重新確定了輥徑、銑橫肋數、前滑等影響參數。

軋輥加工中，軋輥外徑尺寸精度控制在±0.1 mm；由于橫肋形狀側面與水平面角度大，且為等高肋，尺寸偏差小，因此要求采用較高精度的銑槽刀具以保證成品孔型的銑槽質量。

2.6 軋制成品尺寸控制

由于受軋制過程中填充條件的限制，鋼筋橫肋高度比機加工螺紋高度小。為保證螺紋扣之間的咬合，我們設計錨桿螺栓橫肋間距l=（8±0.05）mm，其間隙量不大于0.5 mm，以提高錨固力。因此必須對軋制鋼筋成品尺寸進行嚴格控制。

實際開發生產過程中，鋼筋內徑垂直（高度）公差控制在±0.2 mm，內徑水平（寬度）公差控制在0.2～0.4 mm，不圓度不大于0.3 mm。軋制工藝采用較小的延伸系數，確保軋制變形的穩定可靠；并且對鋼坯的加熱嚴格控制，保證整支鋼坯加熱均勻，以減少由于溫度波動而引起的尺寸變化。

2.7 產品的原料選擇和軋后熱處理工藝

為滿足錨桿螺栓的高強度和韌性的要求，在軋制鋼筋材質上選擇了一種特殊的QHB貝氏體鋼作為原料。此原料要求在軋件在冷床上冷卻到300～400℃時，進行剪切，打成捆堆冷。

完全冷卻后再進行低溫等溫轉變熱處理。將鋼筋分層裝入等溫爐中，加熱到250～350℃，保溫4～5 h后出爐空冷。

3 研究結果與分析

3.1 提高成品精度

2011年7月成功試軋出風電基礎用Φ40 mm錨桿螺栓，軋出的成品尺寸精度高，基圓、橫肋高度等尺寸誤差均小于設計要求，螺紋間距誤差為0.03 mm，橫肋充填飽滿，螺母旋進順利。

3.2 提高成品強度

經性能測試，鋼筋的屈服強度均達到1 080 MPa以上，并且鋼筋的延伸性、勻質性良好。鋼筋在拉脫試驗中，將螺母與鋼筋配合，施加拉力，在拉到170 t左右時卸載，螺母順利旋下，觀察橫肋變形輕微，并且各螺紋咬合均勻。錨桿螺栓的實測性能數據見表1。

表1 錨桿螺栓的實測性能數據

試軋出成品190.5 t，完成了首批試用產品的生產任務，供西北風電工程使用，受到用戶好評。后又成批生產2 000 t，創造利潤340萬元。

4 結論

4.1 生產工藝簡單、實用

所研發的高強錨桿螺栓產品的生產工藝簡單、實用，可以滿足風電基礎施工的要求。

4.2 產品性能可靠

高強錨桿螺栓產品性能可靠，可以為企業創造較高的經濟效益。

4.3 降低成本

高強錨桿螺栓產品熱軋一次成型，可以省去兩端機加工車扣和熱處理的復雜工序，節約成本。

4.4 產品強度高

軋制錨桿螺栓的橫肋沒有強度損失，優于用圓棒材兩端車制加工的螺栓。其使用靈活，可截取任意長度使用；與兩端車制螺紋的鋼棒相比，軋制錨桿螺栓具有通身螺紋，與混凝土握裹力強,鋼筋通身強度高，保證了使用的安全性。

4.5 產品適用廣

此螺栓能夠作為大型錨固構建的螺桿使用，與螺母連接緊固，錨固性能好，并且制作過程低碳、環保；除用于風電工程外，目前特大型跨海大橋等工程也在使用。

4.6 產品填補了國內空白

風電用錨桿螺栓的成功開發，填補了國內空白，改變了此種產品完全依賴進口的局面。

楊繼偉，女，工程師，現任天津市天鐵軋二制鋼有限公司科技質量部工藝工程師。

（收稿2012-06-10編輯潘娜）