作者：王锌（明阳智慧能源集团股份公司，广东中山）
来源：《建筑机械》年11月
摘要：本文介绍了风力发电机组螺纹常用的紧固工艺方法，对如何选择正确的紧固工艺方法提出了建议，并从技术的角度对螺栓紧固工艺进行了总结和释义，为提高大型装备、钢结构工程紧固技术的紧固质量和效率，以及指导紧固工艺技术和紧固工具的选择与改进方向提供了参考。
螺纹连接因其标准化、拆装方便和高可靠性的特点，成为装备及结构工程结构件连接最主要的方式，国内外很多工程行业都在广泛使用。螺纹连接的可靠性是装备与工程能否正常运行的关键。螺纹连接出现故障大多是因为螺纹紧固没有达到系统设计要求所致。螺纹连接一般的失效形式主要表现为螺栓非正常松动和螺栓断裂［1］。螺栓紧固工艺不合理、不正确是导致设备在运行中出现非正常螺纹连接失效的主要原因［2-4］。
正确的螺栓紧固工艺包括：各安装部件的基本面达到安装要求，选择合理的螺栓紧固方式，选择合适精度的紧固工具，选择合适的防松方式和规范的复检等。
1安装部件的基本面安装要求
参与安装各部件的基本面必须达到安装要求，安装部件包括被安装件和紧固件（螺栓、垫片、螺母）。
（1）被安装部件螺栓孔对中。如被安装部件之间的安装孔对中不好，部件在受横向剪切力时，螺栓会与安装孔壁接触，使螺栓出现损坏和断裂［5］。（2）接触面的平面度要求。检查安装部件之间接触面及与紧固件接触的安装面的平面度，如不能达到设计要求，会出现螺栓受弯、螺栓预紧轴力损失和接触面抗滑移能力下降。
（3）抗滑移的要求。连接部件之间不产生滑移，要求法兰之间的抗滑移系数达到设计要求。在装配过程中需要清理法兰面上的异物，特别需要去除油污［6］。
（4）螺栓、螺母、垫片的要求。同一法兰上使用的紧固件最好使用同一厂家、同一批次，检查紧固件外观正常。
2选择合理的紧固方式
由于紧固件在被紧固过程中实际产生的预紧力会成正态离散分布（如图1所示），对于设备重要部件的紧固方式，设计工程师在紧固连接系统载荷设计计算时需要确定满足连接系统要求的预紧力和拧紧系数（定义后面阐述）。
设备连接螺栓设计预紧力要求，一般通过VDI标准复核螺栓预紧要求的最小预紧力和最大预紧力范围。VDI附表A8中介绍了最小预紧力和最大预紧力的范围，这里用拧紧系数αA（拧紧系数＝最大预紧力/最小预紧力）来规范最小预紧力和最大预紧力的要求指标，不同拧紧系数的要求需要通过相对应的工艺方法来达到。结构工程中常用3种紧固工艺（扭矩法、角度法、拉伸法）推荐的拧紧系数αA范围如表1所示［7］。
表1中推荐的拧紧系数αA为范围值，具体αA取值可以根据实际测试经验统计得到，也可以计算评估；而工艺选择紧固方式的拧紧系数αA需要高于载荷设计要求的拧紧系数。
就3种常用的紧固工艺而言，从紧固后预紧力的离散误差范围上比较，拉伸法紧固＞角度法紧固＞扭矩法紧固；但从施工效率来比较，拉伸法紧固＜角度法紧固＜扭矩法紧固。紧固工艺选择应根据系统设计计算要求的最小预紧力和最大预紧力的离散范围，同步考虑施工效率等其他因素来确定。下面分别介绍3种紧固工艺及提高各自预紧力离散精度的方法。
2.1扭矩法紧固
扭矩法就是利用扭矩与预紧力的线性关系在弹性区进行紧固控制的一种方法。扭矩法紧固的优点是安装效率高，缺点是紧固后预紧力离散系数较大。对于系统设计需要通过扭矩法紧固的重要螺栓，紧固后需要预紧力分布离散性小，即需要降低拧紧系数。扭矩法紧固所产生的预紧力离散主要由扭矩系数偏差（螺纹摩擦系数和支撑面摩擦系数）与工具精度偏差等决定，如图2所示。因此降低扭矩法紧固方式拧紧系数的主要方法为降低扭矩系数偏差和工具精度偏差。
（1）降低扭矩系数偏差。
影响扭矩系数偏差的因素有：紧固件的外观质量和紧固件的尺寸精度、螺纹润滑方式和螺纹润滑剂的好坏等。
①润滑方式。润滑剂的涂抹可以有效减少紧固预紧力离散系数，润滑涂抹方式有半涂抹（只涂抹螺纹）和全涂抹（涂抹螺纹与螺母端面）。实验数据表明，半涂抹方式比全涂抹方式的离散系数要高［8］。
②螺纹润滑剂。润滑剂的好坏直接影响螺栓扭矩系数的离散性，应选用离散性小的润滑剂。
③外观质量和尺寸精度。螺栓的螺纹、螺母表面、垫片表面的粗糙度和防腐涂层对扭矩系数都有较大影响［9］，须严格控制螺栓等紧固件的尺寸公差、表面粗糙度、防腐要求。
（2）降低工具精度偏差。
对于采用扭矩法紧固的大螺栓，一般使用液压扭矩板手进行紧固。液压扭矩板手的精度一般在±5%，影响液压扭矩板手输出精度的因素主要有液压动力源（即液压站）的液压输出精度和液压扳手头损伤。普通液压扭矩板手的动力源液压站的调压最好使用带液压压力传感器的电子表，减少因调压、读数的误差。扭矩法紧固的另一种精度较高的工具为伺服电动扳手，通过伺服电机和扭矩传感器闭环控制实现高精度±2%的扭矩输出。
（3）为了保证扭矩法紧固工艺施工最终能达到紧固预期要求，还需要注意以下事项：
①润滑剂和润滑剂涂抹要求，见上文阐述。
②螺栓紧固顺序交叉对称，由内及外的原则紧固，减少法兰刚度对螺栓预紧力离散的影响。③同一法兰螺栓分多次扭矩紧固，一般分为初拧、终拧、复拧。
（4）拧紧系数计算。综合影响扭矩法拧紧系数的各个因素，结合目前中国工程施工和设备安装实际可执行工艺应用情况，液压扭矩板手的精度在±5%以内。在采用润滑剂润滑时，扭矩系数最大值/扭矩系数最小值1.4。在上述要求的工具精度和扭矩系数偏差条件下，拧紧系数=Fmax/Fmin=扭矩系数偏差×工具输出精度×法兰制造及安装影响精度=（1.4）×（1.05/0.）×（1./0.）=1.64，此处法兰制造及安装影响精度取±1.5%。
2.2角度法紧固
角度法紧固实际是通过控制螺母的角度位移来控制螺栓的伸长量，从而达到螺栓设计要求的预紧力［7］。由于角度法紧固的预紧力离散偏差小，如在一些安装防松产品的免维护紧固件，采用角度法紧固工艺可降低螺栓成本或解决螺栓预紧力不足问题。角度法紧固一般采用带角度传动器监测的电动扳手。角度法紧固理论上虽然比扭矩法紧固预紧力离散小，但由于设备维护不方便执行，多数需要定检的地方用此方法效率较低，有一定的施工局限性。这里不再对角度法紧固的工艺方法和拧紧系数控制做过多的论述。
2.3拉伸法紧固
拉伸法紧固是工程和设备中重要螺栓紧固的主要方式。由于拉伸法紧固的施工预紧力是通过液压油缸直接建立拉力，因此相同压力下油缸产生的拉力值一致性较高。拉伸法所产生的预紧力离散主要由安装件平面度、紧固件尺寸精度及工具精度偏差及人员操作工艺决定。
当采用液压拉伸器进行螺栓紧固，液压拉伸器提供的拉力到位后拨紧螺母，此时螺母未受力，松掉拉伸力后螺母开始受压力，螺栓所受预紧力下降，这种现象也称“回弹”。回弹现象虽然不会造成所产生的预紧力离散过大，但是却造成了整体预紧力统一下降，使系统计算要求的名义预紧力与实际获得的平均预紧力相差较大。因此，在使用过程中需要严格控制回弹对预紧力的影响。
一般需要采用比设计预紧力大较多的工艺预紧力进行施工，才能在施工完成回弹后达到设计要求的预紧力范围。这里定义超拉系数=工艺预紧力/设计预紧力。超拉系数按下式计算［10，11］
式中R为螺栓夹紧部分的长细比（螺栓夹紧部分长度/螺栓公称直径）；LK为螺栓夹紧部分长度；d为螺栓公称直径；Fh为液压拉伸器的设定拉力；F0为螺栓残余预紧力。
实际准确的超拉系数需要对每一个拉伸规格的螺栓进行实测，如双头螺柱M42×（总长）、M36×（总长）和M42×（总长）的超拉系数实际测量值分别如表2—表4所示。在实际测试试验中，发现螺栓残余预紧力的大小与施工过程和操作有很大的关系。
3紧固工具选择及使用施工要求
针对具体紧固部位选择合理紧固工具，应考虑满足系统紧固拧紧系数要求、施工效率、工具成本等因素。紧固件紧固采用的工具有：普通机械扳手、机械扭矩板手、气动扳手、冲击型电动扳手、扭矩控制的电动扳手、液压扭矩扳手、液压拉伸器。普通机械扳手和气动扳手、冲击型电动扳手一般用于紧固件初紧。机械扭矩扳手和扭矩控制的电动扳手、液压扭矩扳手、液压拉伸器用于紧固件的第2步和终步紧固。一般大型工程和设备安装主要用于较高预紧力/扭矩控制性的工具有液压扳手、伺服控制电动扳手和液压拉伸器。本文只对这3种工具的精度调节和使用中影响精度的操作做阐述。
（1）液压扭矩扳手的使用精度一般在±5%以内，操作中影响工具输出精度的注意事项有：
①尽可能使用压力传感数字显示调节压力的液压站，降低人为调节压力的误差。
②液压站在使用过程中要时刻