螺栓預緊力損失對壓縮機機殼密閉性的影響

邵學博，楊樹華，肖忠會，孟繼綱，張 弛

（沈鼓集團股份有限公司，沈陽 110869）

0 引言

在大型壓縮機裝備制造中，螺栓連接是法蘭間較為常見的連接形式之一，承壓螺栓還提供預緊功能，保障壓縮機外殼的密閉性需求。隨著技術的不斷發展，螺栓的安裝形式也越發多樣化。近年來，液壓拉伸螺栓、超級螺栓等新型安裝螺栓越發頻繁的應用于大型壓縮機的法蘭連接中。區別于普通的力矩扳手把合的螺栓，液壓拉伸螺栓因其能夠提供更高的預緊力、更少的人為干預以及快速高效的安裝過程，近年來更為設計人員所青睞。正是因為液壓拉伸螺栓使用的產品案例越來越多，且隨著螺栓需要承載的載荷逐漸升高，在現場產品的壓力試驗驗證環節，發現了一系列的機殼泄漏問題，在排查結構、工藝以及仿真的各個環節后，工程人員對于螺栓的真實預緊能力提出了一定的懷疑。尤其是當液壓拉伸螺栓取代普通螺栓的過程中，其預緊力的預估方法成為了新的工程研究方向。最終通過調研、案例剖析后開展螺栓試驗定性研究，并將成果應用于產品試壓分析，提升了機殼仿真精度，并在近年來20余臺產品中得到了驗證。限定條件下的液壓螺栓殘余預緊力的預估，能夠為同類液壓安裝螺栓的應用和仿真分析過程提供技術參考。

1 調研與案例剖析

一般而言，水平剖分式壓縮機機殼中分面法蘭需要螺栓連接把合，外形如圖1所示，而采用力矩扳手把合的方式已經無法滿足大規格螺栓的設計預緊力安裝要求。一般而言，M42-M110規格的螺栓采用液壓拉伸的安裝方式更為便捷和適用。隨著大型壓縮機的設計發展，機殼的壓力承載要求在升高，出廠前的壓力密閉性試驗成為一項機殼關鍵技術難點。隨著仿真技術與現場試驗技術的不斷融合，發現小批量產品發生的泄漏事件與仿真分析結果存在較大偏差。在排除了加工、工藝、設計因素影響后，確定了此類產品存在共性問題，即采用了液壓拉伸螺栓，初步猜測主要問題源自拉伸螺栓的實際預緊性能的偏差。

圖1 水平剖分式壓縮機機殼外形Fig.1 Shape of horizontal split compressor casing

在對國內學者關于螺栓的成果調研中發現，眾多學者關注的主要為螺栓的安全性、試驗仿真方法以及松弛問題［1-13］，也有部分學者對于螺栓安裝初期的預緊力損失做了理論性探討［14］以及試驗研究［15］，但影響因素復雜，僅能通過一個較大損失比例來粗略預估。德國VDI-2230標準［16］中規定了M39以下的螺栓設計方法，提出了分散系數，但該系數更多的是考慮安裝過程中的人為干預，這與機械設計手冊中的提法類似，相當于從經驗上選取了一個保守的預緊力損失比。然而拉伸器廠商甚至認為拉伸螺栓的實際預緊力在損失惡劣時高達50%，且此時僅考慮了安裝前后狀態，還未考慮螺栓的應力松弛等問題。如果采用50%的指標進行壓縮機設計，此時壓縮機的實際承壓能力將大大受限，無法開展進一步的產品升級和技術研發。壓縮機用液壓拉伸螺栓的實際預緊能力成為了迫切需要解決的技術難點。

在該問題研究初期，選擇了多臺典型的機殼試壓泄漏解決案例開展仿真復現，試探性地考察壓縮機機殼中分面的真實接觸狀態。根據機殼現場的試壓“冒汗”現象為參考泄漏狀態，對等的，以仿真分析中淺色區域到達螺栓孔為仿真泄漏狀態。其中比較具有代表性的2個案例展示如下。

案例1機殼的試驗過程為：現場試驗壓力打壓到5.2 MPa時發生泄漏現象，通過對螺栓規格的提升，提高預緊力，最終6.5 MPa壓力下試驗合格。

案例1在泄漏發生到解決的過程中，設計、工藝和力學專業技術人員分別通過結構、工裝工藝、仿真結果3個方面進行了摸底和排查。比對以往業績產品和案例1產品的差異性。除了將普通力矩扳手把合螺栓變換為液壓拉伸螺栓外，壓力、結構尺寸檢測、工裝工藝、外部環境和水介質均未見異常。最終通過對液壓拉伸螺栓的工作機理進行深入的研究，初步判定螺栓實際預緊性能為異常因素。

通過對機殼的3種試驗工況開展仿真分析，并提取機殼中分面法蘭的接觸狀態，進行定性分析。3種仿真工況分別為：（1）5.2 MPa試驗壓力，預緊力不考慮損失比例影響；（2）5.2 MPa試驗壓力，預緊力考慮損失比例30%影響；（3）6.5 MPa試驗壓力，螺栓規格提升并考慮預緊力損失比例30%的影響。

分析結果如圖2所示。

圖2 案例1的中分面接觸狀態Fig.2 Contact status of horizontal split in case 1

根據仿真分析結果可知，工況1為不考慮螺栓的預緊力損失時，機殼中分面脫離區域（淺色）未達到螺栓孔，不會發生泄漏，這與實際現場并不相符。工況2為試探性的將螺栓的預緊力損失調整為30%時，機殼中分面脫離區域（淺色）達到螺栓孔，發生泄漏，這與實際現場是符合的。工況3為考慮螺栓30%的預緊力損失條件下，模擬的最終試驗通過狀態，機殼中分面脫離區域（淺色）未達到螺栓孔，不會發生泄漏，這與實際現場情況相符。

案例2機殼的試驗過程為：現場試驗壓力打壓到試驗壓力時發生泄漏現象，通過對螺栓預緊力的一次提升，最終試驗合格。

案例2與案例1類似，前期開展了各專業的泄漏異常因素排查，除了采用了液壓拉伸螺栓外，壓力、結構尺寸檢測、工裝工藝、外部環境和水介質均未見異常，最終也判定螺栓實際預緊性能為異常因素。

通過對機殼的3種試驗工況開展仿真分析，并提取機殼中分面法蘭的接觸狀態，進行定性分析。3種仿真工況分別為：（1）試驗壓力，預緊力不考慮損失比例影響；（2）試驗壓力，預緊力考慮損失比例30%影響；（3）試驗壓力，螺栓加大預緊力并考慮預緊力損失比例30%的影響。

分析結果如圖3所示。根據仿真分析結果可知，對于工況1和工況2，無論是否考慮螺栓的預緊力損失，機殼中分面脫離區域（淺色）均達到螺栓孔，發生泄漏，這與實際現場相符。工況3為考慮螺栓30%的預緊力損失條件下，模擬的最終試驗通過狀態，機殼中分面脫離區域（淺色）恰好未達到螺栓孔，不會發生泄漏，這與實際現場情況相符。

圖3 案例2的中分面接觸狀態Fig.3 Contact status of horizontal split in case 2

該2臺機組均通過初步預設螺栓的預緊力損失，仿真分析結果很好地貼合了現場試驗結果。而在其余機組的分析案例中，也得到了良好的體現。由此說明：（1）預緊力損失比例對仿真分析結果影響較為明顯，機殼的仿真分析必須加以考慮；（2）預緊力損失比例未達50%之高，損失機理和特定條件下的實際預緊性能需要進一步的研究。

在對液壓拉伸螺栓的預緊力損失機理調研過程中發現，參考文獻［9］中指出，拉伸螺栓的預緊力損失主要因素包括：夾持件的變形、液壓卸載后的螺母螺紋以及螺栓螺紋變形因素，并開展了理論推導和仿真計算比對，最終文獻［9］中的案例采用仿真得到的損失比為31%。而實際還存在3個比較關鍵的指標，分別為螺栓的長度與直徑比（以下簡稱長徑比）、螺紋的配合間隙以及擰緊操作時的螺母預緊力矩，后兩個指標無法采用理論進行推導。螺栓的長度與直徑比表征螺桿的剛性，從理論上講，同等操作條件下，更為細長的螺桿損失比更小，因從應變的角度，同等的回彈變形，總長所代表的分母項越大，應變損失比例也就越小，從經驗上看，損失比例與長徑比不是單一的線性關系。而擰緊操作時的螺母預緊力矩會一定程度上降低預緊力損失，綜上考慮，可以通過試驗開展經驗性的判斷和有限元的仿真修正。為了實現工程應用，針對限定安裝條件下的液壓拉伸螺栓開展試驗和仿真分析，確定了螺栓損失曲線，為后續的機殼試驗仿真提供更為精準的載荷輸入條件。

2 螺栓試驗與仿真分析

試驗本著簡單、快速的設計原則，選取單根液壓拉伸螺栓，采用拉伸-應變測試方法，根據液壓拉伸工具的加載、螺母旋緊、液壓卸載為一個周期的試驗過程，使用靜態應變測試儀針對螺栓螺柱面進行應變測試工作。為盡量貼近實際產品，試驗前針對螺紋參數進行控制，采用6級加工精度，操作人員在把合螺母時，控制螺母旋合角度，當旋緊后進行一次校對，螺母再次旋緊角度應低于5°，螺栓規格為M42，螺距3 mm，長徑比為3。

試驗原理和流程如圖4所示，以液壓泵的加壓和卸壓過程為一次試驗過程，采用3個壓力等級（15，30，45 MPa）作為測試壓力，卸載為0 MPa時的測試應變作為液壓螺栓實際殘余的應變。使用靜態應變測試儀針對螺栓螺柱面進行應變測試工作，螺桿測試截面周向均布4個測點。

圖4 螺栓拉伸試驗原理Fig.4 Schematic diagram of bolt tensile test

經測試，得到的相關應變數據以及數據處理結果見表1。螺桿同一測試截面均布4個測點，理論上4個測點數值應完全一致。而實際拉伸試驗時，存在材料和載荷的不均勻性，單一測點無法反應該截面的實際承載情況，故針對4個測點實測應變值做數值平均，得到其平均應變。

表1 液壓螺栓拉伸試驗結果Tab.1 Hydraulic bolt tensile test result

損失比例αk定義為：

αk=1-ε0/εload

式中，ε0為螺母把緊后液壓卸載后的實測應變；εload為液壓加載后的實測應變。

同步開展有限元仿真工作，采用生死單元技術模擬螺母在螺栓液壓加載時的旋緊狀態。根據螺栓的首環螺紋變形值初步確定旋進角度，以試驗規格尺寸的螺栓開展分析，并根據同等損失比例條件下的角度數值進行修正，將擰緊力因素、加工精度以旋進角度的方式加以考慮。并以此為基礎開展多種長徑比的螺栓預緊力損失比例的仿真計算，得到如表2所示的數據結果。

表2 M42液壓螺栓仿真分析結果Tab.2 M42 hydraulic bolt FEA result

由試驗和仿真分析結果可以看出，在螺紋精度6級以及限定的安裝形式下，長徑比在2～7之間的M42液壓拉伸螺栓預緊力的損失比例在26%～35%之間。后續試用該結果納入仿真分析開展螺栓實際預緊力的修正，并進行了一系列的現場產品跟蹤。

3 預緊力損失比例的應用情況

對于液壓拉伸螺栓，考慮極端的操作和加工間隙不規范等問題，采用35%的損失比例，可以用于螺栓的預緊力殘余的保守預估。為了提升拉伸螺栓的預緊力性能，從力學仿真分析和工程經驗上講，首先螺紋的加工精度應盡量在6級以上，操作時，在拉伸器壓力達到預定壓力后，控制螺母旋合角度，旋緊后進行一次校對，螺母再次旋緊角度應低于5°，此時根據拉伸螺栓的加持長度和最小直徑的比例，按照文中表2的比例關系選取預緊力損失比例，用于有限元仿真，可以更為精準地預測壓縮機機殼的法蘭密閉性情況。

隨著產品設計的精細化發展，高壓力、薄壁機殼的出現頻次增加，保守的指標嚴重制約了產品設計。經由螺栓預緊力殘余的試驗和仿真研究數據成果，近3年在20余臺采用液壓拉伸螺栓的壓縮機機殼進行了試驗驗證，尤其是針對壓縮機機殼設計階段的密閉性優化研究方面，仿真分析結果產生良好的指導方向，同時還針對處于滑移狀態的臨界情況進行了現場比對，確定了本文所采用的損失比例是適用于工程應用的。將該損失比例納入仿真分析流程，成功將機殼試驗的通過率從60%提升到了95%以上。也是基于此項分析技術，大型乙烯壓縮機產品、大型丙烷脫氫制丙烯壓縮機產品、大型空分壓縮機、大型LNG壓縮機產品的機殼設計水平得到了進一步的提升。

4 結論

（1）液壓拉伸螺栓連接形式下，螺栓預緊力損失對機殼仿真分析結果影響較大，預緊力損失比例未達50%之高；

（2）通過2個典型案例定性地確定該類法蘭連接形式存在預緊力損失，且損失比例大約在30%左右；

（3）對固定安裝方法和規格下的螺栓開展了快速的螺栓試驗分析研究，經試驗測試和仿真的協同，得到了長徑比在2～7之間的M42液壓拉伸螺栓預緊力損失比例變化關系；

（4）考慮預緊力損失因素后，機殼的一次試驗通過率從60%提升到95%以上，研究結果應用于近年來的壓縮機機殼仿真分析與結構優化指導工作，取得了良好的應用成效。