輸電線路引流板螺栓擰緊工藝的研究

吳正樹 李守信 張利娜 李清燕 荀雪峰

（1. 中國南方電網超高壓輸電公司南寧局，南寧 530021； 2. 中國能源建設集團南京線路器材有限公司，南京 211500）

0 引言

在超高壓輸電線路中常見到耐張線夾引流板因螺栓松脫而引起發熱的現象，耐張線夾樣圖如圖1所示，引流板螺栓松脫如圖2所示。螺栓松脫通常歸因于輸電導線長時間的微風振動，但在實際檢修中發現，引流板螺栓存在施工不規范的問題，有些螺栓松脫是因安裝扭矩不合適而造成的[1]。螺栓的 安裝扭矩在鋼結構設計施工和汽車裝配中是一個重要的工藝指標[2-3]，在輸電線路工程中則常常不被 重視。

圖1 耐張線夾樣圖

圖2 引流板螺栓松脫

本文通過對耐張線夾引流板螺栓扭矩進行設計計算，結合螺栓扭矩-預緊力試驗，對引流板螺栓的推薦扭矩值和擰緊工藝進行研究。

1 螺栓扭矩的理論計算

超高壓輸電線路中，耐張線夾引流板的螺栓通常采用扭矩法進行擰緊，扭矩和預緊力的關系為

式中：T為扭矩；K為扭矩系數；Ff為預緊力；d為螺栓公稱直徑。

1）預緊力Ff的確定

式中：As為螺栓公稱應力截面積；δy為螺栓的屈服點。螺栓的預緊力設計值由式（2）計算，并取5kN的整數倍[4]。

2）扭矩系數K的確定

對于標準六角頭螺栓，螺栓的安裝扭矩需要克服螺紋間的摩擦阻力矩Ts和螺母與支撐面之間的摩擦阻力矩Tw，即

根據GB/T 16823.2中5.1條規定[5]，扭矩系數K為

式中：P為螺距；μs為螺紋摩擦系數；d2為螺紋中徑；α′為牙側角，普通三角螺紋的牙側角為30°；μw為支撐面摩擦系數；dw為接觸的支撐面外徑；dh為接觸的支撐面內徑。

參考機械設計手冊，K值主要取決于兩個摩擦系數μs和μw，六角頭螺栓的尺寸大小對K值的影響是很小的，設計計算時可參考表1推薦值[6]。

表1 扭矩系數K推薦值

以耐張線夾引流板使用的熱鍍鋅4.8級M12螺栓為例：螺栓表面鍍鋅無潤滑時K取值0.22；考慮到安裝時螺栓易沾染電力脂，此時螺栓表面鍍鋅有潤滑時K取值0.18；代入式（1），得出4.8級M12螺栓扭矩的理論計算值為38～46N·m。

2 螺栓扭矩-預緊力試驗

因鋅層厚度、潤滑條件、墊圈和溫度等多種因素的影響，熱鍍鋅螺栓扭矩系數的離散性高于普通螺栓[7-9]。本節通過扭矩-預緊力試驗，實測有潤滑（涂凡士林）和無潤滑的熱鍍鋅螺栓的扭矩系數，同時進行螺栓的失效試驗，并分析其失效過程。

2.1 試驗方案

引流板搭接試件和螺栓頭部使用試驗夾具固定，試驗夾具應能承受預緊力和扭矩的復合載荷，而不應產生永久變形和位移。壓力傳感器置于螺母與鋁板之間，螺栓尾部應伸出螺母端部至少有2～3扣[10]。試驗設備清單見表2。

表2 試驗設備清單

試驗時扳擰速度應緩慢、均勻。擰緊力矩-預緊力試驗布置如圖3所示。

圖3 擰緊力矩-預緊力試驗布置

2.2 扭矩系數實測試驗

試驗時，熱鍍鋅螺栓擰至40N·m時記錄對應的壓力值，代入式（1）即可計算出實際的扭矩系數K。

扭矩系數實測值見表3，螺栓有潤滑時K值范 圍為0.13～0.18，無潤滑時K值范圍為0.25～0.33，數據表明熱鍍鋅螺栓的扭矩系數分散性偏大，尤其是無潤滑狀態，在鍍鋅質量較差時，有預緊力偏低的可能性。

表3 扭矩系數K實測值

2.3 螺栓失效試驗

在上述試驗的基礎上，繼續增加扭矩直至螺栓連接失效。通過試驗發現有潤滑和無潤滑的失效過程及結果有明顯的不同。螺栓失效試驗照片如圖4所示。

圖4 螺栓失效試驗照片

有潤滑時，當超過屈服扭矩時，螺栓的變形發生在螺紋連接處，表現為螺牙受損甚至被磨平，最終發生滑牙，如圖4（a）所示。此時螺栓仍然可以使引流板保持機械連接，但從通流性能方面考慮，螺栓連接已失效。

無潤滑時，當超過屈服扭矩時，螺栓的變形發生在螺桿處，表現為螺桿受拉后出現頸縮現象，最終因螺桿斷裂而使連接失效，如圖4（b）所示。

在實際工程施工中，螺栓并不是擰得越緊越好，螺栓嚴重超擰時會導致螺栓受損，從而降低連接的可靠性。耐張線夾引流板的螺栓應按照設計要求施加合適的扭矩值，避免按經驗施工可能導致的超擰現象。

3 螺栓的推薦扭矩值

從產品設計方面考慮，耐張線夾引流板的電阻隨著壓力的增加而減小，螺栓的預緊力越大，接觸電阻越小，通流性能越好。

但考慮到引流板的材質為純鋁，其屈服強度低且蠕變率大。通常，施加在引流板上的最大緊固壓力大大超過了不產生蠕變的最大壓力，在運行中引流板發生蠕變的壓力將逐漸下降并穩定在一個不再進一步蠕變的數值上。因純鋁蠕變速度與接觸面上的單位壓力有直接關系，過高的螺栓預緊力會加劇引流板的蠕變反應，不利于引流板的長期穩定運行。

綜合以上兩點，螺栓扭矩產生的壓應力應使引流板可靠連接，同時不會出現明顯的蠕變反應。

參照GB/T 50233《110～500kV架空送電線路施工及驗收規范》及GB/T 50389《750kV架空送電線路施工及驗收規范》，4.8級螺栓的緊固扭矩值不應小于表4的規定，4.8級以上的螺栓緊固扭矩值由設計規定，若設計無規定，宜按4.8級螺栓的標準執行。

表4 鋼制螺栓的緊固扭矩值

4 螺栓扭矩值的驗證試驗

本試驗以4.8級M12螺栓緊固的引流板為例進行直流電阻和溫升試驗，驗證力矩值的合理性。因耐張引流板發熱試驗主要關注的是引流板平板搭接位置，與耐張線夾管體、鋼錨部分關系不大，為減少工作量，本試驗采用簡易的引流線夾搭接型式進行分析。

試驗方法參考GB/T 2317.3《電力金具試驗方法 第3部分：熱循環試驗》的相關規定。螺栓擰緊力矩采用推薦力矩值40N·m。試驗設備包括直流電阻測試儀、大電流溫升設備和溫度傳感器，試驗照片如圖5所示。

圖5 試驗照片

溫升和電阻試驗結果見表5，各試件的溫升值均低于參考導線的溫升值，試件溫升前/后的電阻值均低于參考導線的電阻值，符合標準要求。

表5 溫升和電阻試驗結果

5 其他建議

結合超高壓輸電線路工程的實際情況，本文對耐張線夾引流板螺栓的擰緊工藝提出以下幾點建議：

1）螺栓規格

輸電線路工程中耐張線夾引流板螺栓優選M16螺栓，但部分老舊線路中仍有少量4.8級M12螺栓。M12螺栓推薦扭矩40N·m，如安裝時不使用扭矩扳手則很容易擰至標定值兩倍即80N·m左右，此情況下螺栓嚴重超擰會極大降低連接的可靠性。所以施工時需使用力矩扳手，并按螺栓規格施加合適的扭矩值。

2）摩擦系數

因熱鍍鋅螺栓扭矩系數的離散性高于普通螺栓，同一工程的耐張線夾引流板螺栓應采用同廠家同批次的產品，并在安裝前空擰幾次，確保螺紋部分無影響摩擦系數的毛刺或污物，保證安裝質量的一致性。

3）螺栓墊圈

耐張線夾引流板螺栓應配合加厚大墊圈使用。加厚大墊圈可以改善平板的受力情況，避免墊圈下的鋁板出現壓痕。

4）擰緊速度

扭矩扳手的擰緊速度對摩擦系數影響較大[11]，考慮到靜摩擦因數通常略大于動摩擦因數，在施加扭矩時，扭矩扳手的扳擰速度應均勻，到達設定扭矩值附近時必須放緩動作，聽到提示音后立即停止轉動，以免過擰。對于四個及以上螺栓的引流板，螺栓組應交叉復擰。

5）螺栓換新

線路檢修時，對于引流板螺栓出現松動變形或性能欠佳的情況，建議螺栓、螺母和墊圈全套換新后重新擰緊。

6 結論

本文通過理論和試驗分析，對耐張線夾引流板螺栓的扭矩-預緊力和失效過程進行了研究，給出了推薦力矩值，并通過引流板溫升試驗驗證了推薦力矩值的合理性。通過優化耐張線夾引流板螺栓的擰緊工藝，可提高引流板螺栓連接件的可靠性和導流性，從根本上解決引流板發熱問題，對超高壓輸電線路的安全穩定運行具有重要意義。