水輪機重要螺栓預緊方式探討

馮偉

摘 要：介紹了水輪機大直徑螺栓安裝時常用的三種預緊方式，并針對不同預緊方式的優缺點進行比較和探討。

關鍵詞：水輪機；螺栓；預緊方式

中圖分類號：TV734.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0084-03

螺栓連接是水輪發電機組中廣泛使用的連接方式，方便拆卸、連接緊固，多用于受力復雜部位及重要連接處，其使用環境和受力特性表明螺栓往往是此類連接中的薄弱環節。

為了增強連接的剛性、緊密型、防松能力和疲勞壽命，多數螺栓連接在裝配時須對螺栓施加穩定而可靠的預緊力，所施加的預緊力既要保證螺栓連接的質量要求，又要滿足螺栓的強度要求，預緊力過大容易使預緊力超過螺栓屈服極限，導致聯接失效；預緊力過小則可能殘余預緊力達不到要求，受到工作載荷后，導致螺栓發生松動甚至產生疲勞破壞。

本文通過對水輪機中重要螺栓不同的預緊方式進行探討，比較不同的預緊方式的操作方法以及對預緊力水平的監測方式。

1 液壓拉伸器預緊方式

利用液壓拉伸器對螺栓進行預緊的方式在水輪機安裝中應用比較普遍，一般主要應用在如下兩類情況：（1）對預緊力水平要求較高的M42以上較大直徑螺柱，并且操作空間有限，無法布置液壓扭矩扳手，如受交變載荷的不同工件間的連接螺栓（圖1，軸承體與頂蓋連接螺栓）；（2）對要求伸長值較為精確的重要螺栓，如水發聯軸螺栓（圖2，水機軸與發電機聯軸螺栓）。

使用液壓拉伸器方式預緊，給螺栓施加拉力使之發生彈性變形，然后輕輕旋緊螺母，待撤去拉力之后，由于螺栓收縮就可在連接中產生一定的預緊力。液壓拉伸器給螺栓施加預緊力時不受摩擦力影響，故該方法適用于任何尺寸的螺栓，而且可以給一組螺栓同時施加預緊力，均勻壓緊法蘭和墊片，不致出現傾斜、翹曲而影響預緊力的精確控制。

這樣的預緊方式操作簡單，可以提高預緊力的控制精度，預緊力的誤差主要出現在對預緊力或伸長值的監測方法上。

液壓拉伸器預緊的伸長值監測方法主要有以下兩種：

1.1 螺母轉角法

根據需要的伸長值計算出螺母轉角，計算公式為：旋轉角度=伸長值/螺距×360。預緊時量出螺母轉角就可達到控制預緊力的目的。測量螺母轉角最簡單的方法是在螺母邊緣和法蘭上刻一條對應的零線，同時在法蘭上刻一條旋轉角度的基準線，當螺母上零刻度線轉到法蘭上對應的基準線時，即認為螺栓已預緊到要求伸長值。

這種方法的優點是：在預緊過程中可以精確控制預緊力，并能發現過程中可能出現的預緊不足或預緊過度現象。但缺點也很明顯：被連接件的剛度計算較為復雜、螺栓出現扭轉變形、幾何尺寸誤差等因素導致螺母轉角和預緊力不是線性關系，螺母轉角的計算存在一定誤差，同時由于接觸變形，螺母與法蘭支承面、被連接件間以及螺紋間均完全接觸的初始位置（零位）較難確定，通過螺母轉角控制預緊力會出現誤差。

1.2 伸長值直接測量法

因為螺栓本身的伸長值只和螺栓的所受拉應力有關，可以排除摩擦系數、接觸變形、被連接件變形等可變因素的影響。所以，通過螺栓伸長值控制預緊力可以獲得最高的控制精度。

螺栓伸長值測量主要有三種方法：（1）通過在螺柱中心加工測量孔，泄壓后用深度千分尺測量絕對伸長值。該方法不需要確認螺母零位，也不受被連接件的變形以及泄壓后螺柱收縮的影響。測量結果準確，配合液壓拉伸器可以精確控制預緊力。（2）對于類似圖2中的螺栓連接結構，通過預緊過程中在螺柱兩端架百分表測量相對伸長值。該方法同樣不需要確認螺母零位，但會受表座所在部件變形影響，存在一定的誤差。（3）對于類似圖1中的螺栓連接結構，通過預緊過程中在螺柱頂端架百分表測量相對伸長值。該方法測的伸長值，受零位（螺紋間隙、螺母與法蘭之間緊度）、表座所在部件變形等多種因素的影響，無法做到精確控制預緊力。

2 電加熱預緊方式

電加熱（或稱溫差法）方式預緊在水輪機安裝中的應用主要在聯軸螺栓等重要大直徑螺栓連接結構（圖3，轉輪與主軸聯軸螺栓），其原理與采用液壓拉伸器方法相似，所不同的是電加熱方式使用大功率加熱棒在螺桿中心進行快速加熱，使之伸長，然后輕輕旋緊螺母，待撤去拉力之后，由于螺栓冷卻收縮就可在連接中產生一定的預緊力。

因為電加熱預緊方式與液壓拉伸器預緊方式相似，所以兩者的優、缺點也基本相同，主要區別和誤差主要在于對伸長值的監測方法上。

電加熱預緊方式的監測方法同樣主要有以下三種：

2.1 螺母轉角法

該方法與采用液壓拉伸器進行預緊時相同。

2.2 伸長值直接測量法

使用電加熱預緊方式需在螺桿中心放置電加熱棒，在預緊過程中無法及時用伸長值測量工具測量絕對伸長值，此外，預緊過程中螺桿溫度迅速升高，同樣無法采用百分表測量螺栓相對伸長值。因此伸長值直接測量法無法對預緊過程以及預緊力的控制進行精確測量，無法達到對預緊過程中伸長值進行監測的要求。

2.3 伸長值綜合測量法

結合電加預緊方式的特點，可以考慮將以上兩種方法綜合進行運用：首先，在螺桿安裝之前，利用伸長值測量工具，通過螺桿中心的通孔，測量并記錄螺桿的初始長度；然后，在預緊過程中，采用上述螺母轉角法，控制加熱時間和預緊力水平，防止預緊力過大或過小；預緊完成后，待螺桿自然冷卻至室溫，再次使用伸長值測量工具測量并記錄螺桿預緊后的長度。將兩次的測量長度相減后，即可得出螺桿的絕對伸長值。

3 液壓扭矩扳手預緊方式

液壓扭矩扳手預緊方式操作簡單，適用性廣，在水輪機安裝中應用最為普遍，主要用于頂蓋、底環等分瓣面組合螺栓（圖4，分瓣面組合螺栓）、轉輪葉片螺釘（圖5，葉片螺釘）、轉輪活塞軸把合螺栓（圖6，活塞軸把合螺栓）等M42以上較大直徑螺柱或螺釘。

由于預緊力受螺母和螺栓以及螺母和法蘭面間摩擦副的摩擦力影響較大，因此在預緊過程中，需盡量減小摩擦系數的影響。比如在螺栓絲扣上涂抹絲扣潤滑脂，法蘭面與螺母之間增加足夠硬度的鋼墊片。

同時，在螺栓預緊過程中，扭矩較大，需克服的螺紋間摩擦力也越大，如螺栓未清理干凈或螺栓未放正，極易導致螺栓被研傷，因此在結構設計時，應考慮到能采用雙頭螺栓時，盡量避免采用螺釘。這樣的好處是，在螺栓被研傷時，只需將螺母破壞即可將螺栓取出。如轉輪葉片螺栓，只能采用螺釘結構，一旦出現螺栓被研死的情況，只能將螺栓破壞后才能取出，難度極大。

預緊力矩與螺栓預緊力呈線性關系，控制了預緊力矩的大小，就可通過實驗或理論的方法計算出預緊力值。該方式優點是：無需確認零位，預緊過程可根據扭矩扳手油泵壓力值精確控制。但由于受摩擦系數和幾何參數偏差的影響，在一定的預緊力矩下，預緊力數值的離散性比較大，其預緊力精度不及上述兩種方法，但其預緊力的監測方式最為直觀，只需將預緊力矩換算成液壓扭矩扳手對應的油泵壓力值即可。

4 結語

通過對水輪機安裝中常見的三種大直徑螺栓的預緊方式的分析比較，各種預緊方式各有優缺點，在實際工程應用中，不可能做到只選某一種，或者能完全消除各種預緊方式中的不利影響。此文的目的是未以后水輪機安裝實際工程應用中，對不同結構、不同受力特性的螺栓連接結構的預緊力加載方式選用提供一種思路，以期找到一個最合理的預緊方式，避免因預緊力過大或過小對連接結構的穩定性或疲勞壽命產生不利的影響。