G324A燃兼壓氣缸中分面螺栓冷拉安裝及應力計算

陳萍，胡開吉，白德斌，羊小軍，白哲

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

G324A燃兼壓氣缸中分面螺栓冷拉安裝及應力計算

陳萍，胡開吉，白德斌，羊小軍，白哲

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

重要部位結合面螺栓采用冷拉伸長量安裝是既保證安裝精度又提高安裝效率的安裝方式，這種方法將逐步取代大螺栓熱緊安裝方法，延長螺栓使用壽命。文章通過對G324A燃兼壓氣缸中分面螺栓冷拉伸長試驗過程中出現的問題分析以及應力校核，對獲得合理的螺栓伸長量的過程進行介紹，對螺栓冷拉安裝進行更深的了解。

螺栓，拉伸，應力

0 前言

G324A燃氣輪機是最新改進型機組（M701F4），燃兼壓氣缸中分面螺栓采用液壓冷拉安裝結構形式。該螺栓安裝方法不受螺栓潤滑效果和螺紋摩擦大小的影響，可以得到更為精確、均衡的螺栓載荷，使法蘭均勻受力接合，且不受螺栓熱緊時螺栓扭矩變形不易拆卸影響，提高了螺栓壽命。 螺栓冷拉安裝是用固定的力直接將螺栓一次性拉伸，且可以同時拉伸多個螺栓，因此大大提高了螺栓安裝效率。目前這種方法是世界上最先進的大螺栓安裝方式。由于燃機上首次采用這種結構，因此螺栓正式安裝前應進行工藝試驗，獲得與螺栓設計伸長量相匹配的固定拉伸力，在螺栓拉伸試驗中應對出現的問題進行分析，必要時進行應力校核，獲得合理的螺栓伸長量。

1 螺栓冷拉安裝原理

螺栓拉伸前應根據螺栓結構以及受力大小選用合適的螺栓拉伸器進行拉伸。

螺栓拉伸器主要由油缸、拉伸頭和支撐橋三部分組成。拉伸方法是用液壓油缸直接對螺栓端頭施加外力，將螺栓拉伸到所需長度，然后用手輕輕將螺母擰緊，使施加的載荷得以保留。拉伸螺栓的拉伸器的使用原理及流程如圖1所示。

圖1 拉伸器的使用原理及流程

從拉伸器使用的原理看出，液壓缸位于螺栓中軸線的位置，對螺栓進行軸向拉伸，實現螺栓需要的拉伸力。而正是螺栓的這種延長量或拉伸量產生了螺栓緊固所需的夾緊力。螺栓受到拉伸時，螺母與法蘭接觸面脫離開來。當螺栓拉伸到設計伸長量時，轉動螺母 （螺母的轉動是通過撥動螺母外的拉伸器的撥圈來實現的）使之與接合面緊貼。從而將螺栓的軸向形變鎖住，也就是將剩余螺栓載荷鎖住螺栓里。采用該方式進行螺栓安裝，螺栓伸長截面僅受純拉力，螺母端面可無摩擦擰至支撐面。

由于拉伸器的液壓缸支撐在支撐橋上，而支撐橋呈圓環狀套在螺栓外圓的氣缸法蘭上，因此拉伸時與支撐橋接觸的氣缸法蘭承受與螺栓拉伸力大小相等、方向相反的壓力。螺栓、氣缸法蘭受力如圖2所示。

圖2 螺栓、汽缸受力情況

2 螺栓拉伸試驗

G324A燃兼壓氣缸中分面需要進行拉伸的1～5號螺栓具體位置如圖3所示，螺栓1～5號共分為4種類型，螺栓1的伸長量以及螺栓結構見序號1；螺栓2見序號2；螺栓3和4為同一類型見序號3；螺栓5見序號4，螺栓結構形式分為雙頭倒錐螺栓和載絲螺栓兩種規格，且都有中心孔結構，每種螺栓規格及拉伸量如表1和圖4所示。

圖3 1～5號螺栓布置圖

表1 1～5號螺栓拉伸量

圖4 1～5號螺栓規格及結構

（1）螺栓拉伸試驗

按照設計要求的各螺栓拉伸量，我們對采用的螺栓拉伸器進行了不同類型的螺栓拉伸試驗，拉伸試驗方案及大概步驟如下：

步驟一： 安裝拉伸器前用80～100 N的力預緊螺栓，使用圖5～6所示的方法分別檢測雙頭螺栓和載絲螺栓的原始長度。圖5表示直接測量雙頭螺栓拉伸前、后的長度；圖6表示在載絲螺栓加熱孔內放置芯桿，測量芯桿和螺栓上端部的高差變化檢驗螺栓拉伸前、后長度變化，以獲得設計伸長量對應的拉伸力。

圖5 雙頭螺栓伸長量測量方案

圖6 栽絲螺栓伸長量測量方案

步驟二：安裝螺栓拉伸器，使支撐橋與墊片接觸，并在拉伸器頂部連接螺栓頭的芯部架百分表以監測拉伸過程中螺栓和拉伸器的變形狀態，如圖7所示。

圖7 安裝拉伸器

步驟三：給拉伸器加壓拉伸螺栓，同時監控表1變化量為設計伸長量時保持拉伸壓力并懸緊螺母，如圖8所示。

圖8 加壓拉伸螺栓并旋緊螺母

步驟四：拆下拉伸器，根據圖5～6的方法測量螺栓拉伸后的長度，復核螺栓伸長量應滿足設計要求，若不滿足要求應根據拉伸過程中獲得的經驗，計算螺栓伸長到設計值時使用的拉伸力。

步驟五：重新安裝拉伸器，采用步驟四中計算拉伸力進行螺栓拉伸。旋緊螺母后拆卸拉伸器，復核螺栓伸長量應滿足設計要求。

（2）拉伸試驗發現的問題

在進行載絲螺栓2的拉伸試驗時發現拉伸力為1 500 bar時，螺栓拉伸長度為0.32 mm，占設計需要的拉伸長度的0.32/0.74×100%=43.2%，螺母的轉角為62°，占設計需要的轉角的62/136× 100%=45.6%。對比拉伸長度和螺母轉角與設計值的百分比 （兩者百分比吻合）說明我們的伸長量是合理的。用線性公式簡單計算要達到設計伸長量使用的拉伸力N=1 500/44.4%=3 378 bar。

而序號1螺栓L=640 mm：伸長量為 0.76mm，與之相同直徑的L=560 mm伸長量達到0.74 mm，即序號2螺栓長度短了12.5%，要求的伸長量確幾乎相同，這是不合理的，因此需要對與設計伸長量匹配的拉伸力的可靠性進行校核。

3 拉伸應力計算

根據表1和圖2中各螺栓的結構以及伸長量要求，按以下方式計算了各螺栓拉伸力。圖9為螺栓回彈系數簡圖。

圖9 螺栓回彈系數簡圖

圖9螺栓回彈系數簡圖中CL=LK/d，LK表示螺栓拉伸的有效長度，螺紋部分按螺母高度的1/2計算長度，d表示螺栓的小徑。根據圖4和圖9，計算并查找螺栓的彈性系數SW為：

序號1螺栓：L=640 mm，LK=96/2+16+142+ 142+13+96/2=409，d=83.36，CL=4.9，SW=1.183

序號2螺栓：L=560 mm，LK=96/2+16+169+ 133/3=299.5，d=83.36，CL=3.6，SW=1.233

序號3、4螺栓：L=694 mm，LK=96/2+16+169+ 169+13+96/2=463，d=83.36，CL=5.55，SW=1.172

序號5螺栓：L=822 mm，LK=102/2+16+224+ 224+13+102/2=579，d=83.36，CL=6.45，SW=1.153

螺栓在安裝拉伸過程中的受力是受純拉力，按伸長量要求進行拉伸，螺栓所受的拉伸力范圍FBTC為：

FBTC=SW×ΔL×E×A1/LK

其中：ΔL為拉伸長度；E為彈性模量。

材料1Cr11W2MOVNbN的抗拉強度Rm=930 N/mm2；彈性模量E=2.1×105N/mm2=2.1×102kN/ mm2；A1為受力面積，A1=π（d-di）/4，di表示螺栓加熱孔徑，d表示螺栓的小徑。

3 1/2-8N （螺栓型號）：d=83.36 mm；di=22 mm A1=5 077.5 mm2

3 3/4-8N（螺栓型號）：d=89.66 mm；di=24.5 mm A1=5 842.3 mm2

序號1螺栓：L=640 mm，FBTC=α×ΔL×E×A1/LK=1.183×（0.68～0.84）×2.1×102×5 077.5/409 =2 097.2～2 590.7 kN

序號2螺栓：L=560 mm，FBTC=α×ΔL×E×A1/LK=1.233×（0.67～0.81）×2.1×102×5 077.5/299.5 =2 941.1～3 555.7 kN

序號3、4螺栓：L=694 mm，FBTC=α×ΔL×E× A1/LK=1.172×（0.76～0.92）×2.1×102×5 077.5/463

=2 051.2～2 483.1 kN

序號5螺栓：L=822 mm，FBTC=α×ΔL×E×A1/LK

=1.153×（0.92～1.12）×2.1×102×5 842.3/579

=2 247.67～2 736.3 kN

因此螺栓拉伸時，最大拉伸應力δ=FBTC/A1。

序號1螺栓：L=640 mm，δ=1.183×0.84×2.1× 105/409=510.2 N/mm2，

序號2螺栓：L=560 mm，δ=1.233×0.81×2.1× 105/299.5=700.3 N/mm2

序號3、4螺栓：L=694 mm，δ=1.172×0.92× 2.1×105/463=489 N/mm2

序號5螺栓：L=822 mm，δ=1.153×1.12×2.1× 105/579=486.4 N/mm2

序號1～5螺栓為同一材料1Cr11W2MOVNbN，該材料的最大許用應力δ1=684 N/mm2

注:螺栓的最大許用應力可按0.9×（RP0.2）≈0.9（0.9Rm）進行計算。

RP0.2表示材料屈服強度≥760 MPa；Rm表示材料抗拉強度≥930 MPa。

從以上計算出的螺栓最大伸長量對應的應力占材料最大許用應力的百分比分別為：

序號1螺栓：L=640 mm，δ/δ1=510.2/684×100%=74.6%

序號2螺栓：L=560 mm，δ/δ1=700.3/684×100%=102.4%

序號3、4螺栓：L=694 mm，δ/δ1=489/684×100%=71.5%

序號5螺栓：L=822 mm，δ/δ1=486.4/684×100%=71.05%

圖10為各螺栓拉應力占材料許用應力百分比。

圖10 各螺栓拉應力占材料許用應力百分比

從圖10中看出序號2L=560 mm螺栓在設計拉伸量下需要的拉應力超過了材料最大許用應力，不滿足螺栓材料的使用要求。因此首先考慮設計給出的螺栓伸長量不合理，且序號2的螺栓所承受的力大于序號1、3、4螺栓承受的應力40%左右，拉伸2號螺栓時該螺栓墊片和氣缸承受的力大于周圍其它螺栓支撐處墊片和汽缸受力的40%，已超過了墊圈或氣缸的極限表面壓力（螺栓墊片的表面承受的壓力為731 N/mm2，螺栓及機體材料的抗壓強度按481 N/mm2進行計算），且試驗時伸長量還小于設計值墊片和氣缸法蘭表面出現了壓痕。

4 螺栓伸長量復核

將螺栓拉伸試驗中遇到的問題與設計人員進行了交流，并將各螺栓的伸長量進行了修改 （包括修改了材質、轉角），修改后的螺栓伸長量要求見表2。

表2 修改后的螺栓伸長量

根據修改后的螺栓最大伸長量，計算出螺栓伸長時的應力占材料最大許用應力的百分比，見圖11。

序號1螺栓：L=640 mm，δ=510.2×0.64/0.84/ 684×100%=56.8%，

最大拉伸力FBTC=1 973.8 kN。

序號2螺栓：L=560 mm，δ=700.3×0.51/0.81/ 684×100%=56.4%，

最大拉伸力FBTC=2 238.8 kN。

序號3、4螺栓：L=694 mm，δ=489×0.73/ 0.92/684×100%=61%，

最大拉伸力FBTC=1 970.2 kN。

序號5螺栓：L=822 mm，δ=486.4×0.93/1.12/ 684×100%=63.5%，

最大拉伸力FBTC=2 272.1 kN。

圖11 螺栓設計拉應力與材料最大許用應力百分比

從圖11中看出所有螺栓在設計拉伸量下需要的拉應力小于最大許用應力，且材料安全系數大于1.5倍，滿足螺栓材料的使用要求。

根據修改后的螺栓伸長量要求，計算螺栓達到設計伸長量需要的最大拉伸力，并且采用ITH螺栓拉伸器進行了螺栓拉伸試驗，在試驗中發現螺栓伸長量與受力成線性關系，具體見圖12。并獲得與螺栓伸長量對應的實際拉伸力，具體數據見表3及圖13。

圖12 螺栓受力曲線圖

圖13 實際拉伸力與計算拉伸力比較

根據表3及圖13的試驗與計算對比數據，分析如下：

（1）螺栓1～5實際使用的拉伸力與理論計算的拉伸力不吻合，實際拉伸力大于計算拉伸力，分別為：2.9%、22.8%、5.9%、5.9%、7.9%，原因可能是采用的彈性系數經驗數據與實際有誤差。載絲螺栓2誤差范圍較大為22.8%，原因可能為相同規格載絲螺栓與雙頭螺栓的彈性系數（見圖9）不一樣。

（2）螺栓拉伸后的轉角一般大于設計轉角10°左右，原因可能是螺栓預緊的力矩不夠，由于影響轉角的因素較多，因此一般采用伸長量拉伸要準確些。

（3）螺栓1～5采用同一型號的螺栓拉伸器進行拉伸，且達到設計要求的伸長量，螺栓2使用的拉伸力為其它螺栓的1.4倍，由于各螺栓拉力相差大、不均勻，螺栓2拉伸后氣缸法蘭面的壓痕最深達0.25 mm。

根據此次螺栓拉伸時出現的情況，將序號1、3、4、5螺栓的伸長量降低20%左右，將螺栓2的伸長量降低50%左右。按照最終設計要求的拉伸量進行了螺栓拉伸試驗，具體結果見表4。

表3 螺栓實際拉伸力

表4 采用螺栓拉伸力

從表4中看出，螺栓1～5拉伸到設計伸長量時所需要的螺栓拉力相差不大 （2 010 kN左右），這樣螺栓和氣缸受力均勻，受力情況較以前得到改善。

5 結束語

到目前為止，G324A機型的多臺機組燃兼壓氣缸螺栓根據試驗的拉伸力進行冷拉安裝后，經過長時間的運行中分面法蘭無泄漏且螺栓無損耗，證明螺栓安裝前進行螺栓最大伸長量的應力校核，保證機組運行過程中結合面間隙消除和螺栓的使用壽命，同時使機體不產生永久變形的合理的螺栓伸長量是相當重要的。

[1]溫秉權,黃勇.金屬材料手冊[M].北京:電子工業出版社, 2009.

[2]張少實.新編材料力學:第2版[M].北京:機械工業出版社，2010.

Installation and Stress Calculation of G324A COMP. COMB.Horizontal Surface Bolt Cold Drawing

Chen Ping，Hu Kaiji，Bai Debin，Yang Xiaojun，Bai Zhe

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The important parts of bolt joint adoped the elongation of cold installation method assures to install accuracy and raise efficiency,this method will gradually replace the big bolt tightening mounting method and prolong bolt service life.Based on the problem analysis and the stress checking of the G324A COMP.COMB.horizontal surface bolt cold elongation test process,this paper introduces the bolt elongation quantitative process,makes everyone deeper understanding the elongation of cold installation.

bolt,elongation,stress

TK476

B

1674-9987（2017）01-036-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.008

陳萍 （1973-），高級工程師，現主要從事汽輪機總裝專業技術工作，具有豐富的汽輪機安裝經驗。