水轮机重要螺栓预紧方式探讨

冯伟

摘 要：介绍了水轮机大直径螺栓安装时常用的三种预紧方式，并针对不同预紧方式的优缺点进行比较和探讨。

关键词：水轮机；螺栓；预紧方式

中图分类号：TV734.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0084-03

螺栓连接是水轮发电机组中广泛使用的连接方式，方便拆卸、连接紧固，多用于受力复杂部位及重要连接处，其使用环境和受力特性表明螺栓往往是此类连接中的薄弱环节。

为了增强连接的刚性、紧密型、防松能力和疲劳寿命，多数螺栓连接在装配时须对螺栓施加稳定而可靠的预紧力，所施加的预紧力既要保证螺栓连接的质量要求，又要满足螺栓的强度要求，预紧力过大容易使预紧力超过螺栓屈服极限，导致联接失效；预紧力过小则可能残余预紧力达不到要求，受到工作载荷后，导致螺栓发生松动甚至产生疲劳破坏。

本文通过对水轮机中重要螺栓不同的预紧方式进行探讨，比较不同的预紧方式的操作方法以及对预紧力水平的监测方式。

1 液压拉伸器预紧方式

利用液压拉伸器对螺栓进行预紧的方式在水轮机安装中应用比较普遍，一般主要应用在如下两类情况：（1）对预紧力水平要求较高的M42以上较大直径螺柱，并且操作空间有限，无法布置液壓扭矩扳手，如受交变载荷的不同工件间的连接螺栓（图1，轴承体与顶盖连接螺栓）；（2）对要求伸长值较为精确的重要螺栓，如水发联轴螺栓（图2，水机轴与发电机联轴螺栓）。

使用液压拉伸器方式预紧，给螺栓施加拉力使之发生弹性变形，然后轻轻旋紧螺母，待撤去拉力之后，由于螺栓收缩就可在连接中产生一定的预紧力。液压拉伸器给螺栓施加预紧力时不受摩擦力影响，故该方法适用于任何尺寸的螺栓，而且可以给一组螺栓同时施加预紧力，均匀压紧法兰和垫片，不致出现倾斜、翘曲而影响预紧力的精确控制。

这样的预紧方式操作简单，可以提高预紧力的控制精度，预紧力的误差主要出现在对预紧力或伸长值的监测方法上。

液压拉伸器预紧的伸长值监测方法主要有以下两种：

1.1 螺母转角法

根据需要的伸长值计算出螺母转角，计算公式为：旋转角度=伸长值/螺距×360。预紧时量出螺母转角就可达到控制预紧力的目的。测量螺母转角最简单的方法是在螺母边缘和法兰上刻一条对应的零线，同时在法兰上刻一条旋转角度的基准线，当螺母上零刻度线转到法兰上对应的基准线时，即认为螺栓已预紧到要求伸长值。

这种方法的优点是：在预紧过程中可以精确控制预紧力，并能发现过程中可能出现的预紧不足或预紧过度现象。但缺点也很明显：被连接件的刚度计算较为复杂、螺栓出现扭转变形、几何尺寸误差等因素导致螺母转角和预紧力不是线性关系，螺母转角的计算存在一定误差，同时由于接触变形，螺母与法兰支承面、被连接件间以及螺纹间均完全接触的初始位置（零位）较难确定，通过螺母转角控制预紧力会出现误差。

1.2 伸长值直接测量法

因为螺栓本身的伸长值只和螺栓的所受拉应力有关，可以排除摩擦系数、接触变形、被连接件变形等可变因素的影响。所以，通过螺栓伸长值控制预紧力可以获得最高的控制精度。

螺栓伸长值测量主要有三种方法：（1）通过在螺柱中心加工测量孔，泄压后用深度千分尺测量绝对伸长值。该方法不需要确认螺母零位，也不受被连接件的变形以及泄压后螺柱收缩的影响。测量结果准确，配合液压拉伸器可以精确控制预紧力。（2）对于类似图2中的螺栓连接结构，通过预紧过程中在螺柱两端架百分表测量相对伸长值。该方法同样不需要确认螺母零位，但会受表座所在部件变形影响，存在一定的误差。（3）对于类似图1中的螺栓连接结构，通过预紧过程中在螺柱顶端架百分表测量相对伸长值。该方法测的伸长值，受零位（螺纹间隙、螺母与法兰之间紧度）、表座所在部件变形等多种因素的影响，无法做到精确控制预紧力。

2 电加热预紧方式

电加热（或称温差法）方式预紧在水轮机安装中的应用主要在联轴螺栓等重要大直径螺栓连接结构（图3，转轮与主轴联轴螺栓），其原理与采用液压拉伸器方法相似，所不同的是电加热方式使用大功率加热棒在螺杆中心进行快速加热，使之伸长，然后轻轻旋紧螺母，待撤去拉力之后，由于螺栓冷却收缩就可在连接中产生一定的预紧力。

因为电加热预紧方式与液压拉伸器预紧方式相似，所以两者的优、缺点也基本相同，主要区别和误差主要在于对伸长值的监测方法上。

电加热预紧方式的监测方法同样主要有以下三种：

2.1 螺母转角法

该方法与采用液压拉伸器进行预紧时相同。

2.2 伸长值直接测量法

使用电加热预紧方式需在螺杆中心放置电加热棒，在预紧过程中无法及时用伸长值测量工具测量绝对伸长值，此外，预紧过程中螺杆温度迅速升高，同样无法采用百分表测量螺栓相对伸长值。因此伸长值直接测量法无法对预紧过程以及预紧力的控制进行精确测量，无法达到对预紧过程中伸长值进行监测的要求。

2.3 伸长值综合测量法

结合电加预紧方式的特点，可以考虑将以上两种方法综合进行运用：首先，在螺杆安装之前，利用伸长值测量工具，通过螺杆中心的通孔，测量并记录螺杆的初始长度；然后，在预紧过程中，采用上述螺母转角法，控制加热时间和预紧力水平，防止预紧力过大或过小；预紧完成后，待螺杆自然冷却至室温，再次使用伸长值测量工具测量并记录螺杆预紧后的长度。将两次的测量长度相减后，即可得出螺杆的绝对伸长值。

3 液压扭矩扳手预紧方式

液压扭矩扳手预紧方式操作简单，适用性广，在水轮机安装中应用最为普遍，主要用于顶盖、底环等分瓣面组合螺栓（图4，分瓣面组合螺栓）、转轮叶片螺钉（图5，叶片螺钉）、转轮活塞轴把合螺栓（图6，活塞轴把合螺栓）等M42以上较大直径螺柱或螺钉。

由于预紧力受螺母和螺栓以及螺母和法兰面间摩擦副的摩擦力影响较大，因此在预紧过程中，需尽量减小摩擦系数的影响。比如在螺栓丝扣上涂抹丝扣润滑脂，法兰面与螺母之间增加足够硬度的钢垫片。

同时，在螺栓预紧过程中，扭矩较大，需克服的螺纹间摩擦力也越大，如螺栓未清理干净或螺栓未放正，极易导致螺栓被研伤，因此在结构设计时，应考虑到能采用双头螺栓时，尽量避免采用螺钉。这样的好处是，在螺栓被研伤时，只需将螺母破坏即可将螺栓取出。如转轮叶片螺栓，只能采用螺钉结构，一旦出现螺栓被研死的情况，只能将螺栓破坏后才能取出，难度极大。

预紧力矩与螺栓预紧力呈线性关系，控制了预紧力矩的大小，就可通过实验或理论的方法计算出预紧力值。该方式优点是：无需确认零位，预紧过程可根据扭矩扳手油泵压力值精确控制。但由于受摩擦系数和几何参数偏差的影响，在一定的预紧力矩下，预紧力数值的离散性比较大，其预紧力精度不及上述两种方法，但其预紧力的监测方式最为直观，只需将预紧力矩换算成液压扭矩扳手对应的油泵压力值即可。

4 结语

通过对水轮机安装中常见的三种大直径螺栓的预紧方式的分析比较，各种预紧方式各有优缺点，在实际工程应用中，不可能做到只选某一种，或者能完全消除各种预紧方式中的不利影响。此文的目的是未以后水轮机安装实际工程应用中，对不同结构、不同受力特性的螺栓连接结构的预紧力加载方式选用提供一种思路，以期找到一个最合理的预紧方式，避免因预紧力过大或过小对连接结构的稳定性或疲劳寿命产生不利的影响。