高强度螺栓预紧力施加试验方法

2020-01-01王永兴

造船技术 2019年6期

王永兴

(海洋石油工程(青岛)有限公司，山东青岛 266520)

0 引言

钢结构模块建造完成后，在海洋运输过程中，部分结构会与装船固定结构发生干涉，需要将其拆卸成为装船散件。为便于装船散件在项目归属地的恢复，装船散件与主结构的连接形式常被设计成以高强度螺栓连接。为保证装船散件在后续使用过程中的可靠性，安装高强度螺栓时有相应的预紧力要求。高强度螺栓预紧力的施加和控制方法通常有4种：转角法预拉伸、标定扳手预拉伸、扭剪型张力控制螺栓预拉伸、直接张力指示器预拉伸[1-3]。按照要求，在标定扳手预拉伸方法中，扭矩扳手需要每天标定，难以满足工程进度的需要。扭剪型张力控制螺栓和直接张力指示器螺栓价格昂贵，若在海洋钢结构建造项目中大量使用这两种螺栓，将会大幅增加项目成本。相较而言，转角法预拉伸方法不需要每天标定扭矩扳手，不需要采办扭剪型螺母和张力指示垫片，更便于现场施工[4]，且能够降低项目成本。因而，转角法预拉伸成为各项目优先考虑的螺栓预紧力施加方法[5]。

转角法预拉伸的缺点在于无法直观读取螺栓安装后的预紧力，对项目施工过程中的检验工作造成很大的困难，因而转角法施加预紧力的效果常被质疑[6]。本文介绍一种基于转角法预拉伸的扭矩施加试验方法，并对试验得出的扭矩值进行验证，确认所施加的预紧力能否满足ASTM A325或A490螺栓结构节点规范[7](下文简称“规范”)的要求。该螺栓预紧力施加试验方法对后续项目中高强度螺栓的使用有一定的指导意义。

1 试验方法

1.1 试验材料与设备

本试验选用的螺栓材质为ASTM A325，规格为M20 mm×2.5 mm×75 mm。连接件为厚度分别为10 mm、10 mm和15 mm，材质为API 5L GRADE 50，尺寸为100 mm×100 mm的钢板。螺栓连接副使用两个平垫片。

本试验采用的测试仪器与设备有：(1)电子扭转试验机；(2)电子万能试验机；(3)YE2538A静态电阻应变仪(下文简称“应变仪”)；(4)普通开口扳手。

1.2 预紧力施加方法

首先将螺栓连接件拧紧，保证螺母与垫片处于紧密贴合状态；然后采取措施将螺母进一步旋转一定角度，使用力学仪器与设备，试验验证此时螺栓所承受的预紧力能否达到规范[7]要求。

规范[7]明确规定，对于直径M20、材质ASTM A325的螺栓，当连接件与螺母或螺栓头的接触面垂直于螺杆时，螺母或者螺栓头继续旋转120°±30°后，预紧力需达124.5 kN。考虑到施工环境比实验室环境更为严苛，本方法采取了更为严格的参数要求：

(1)为便于现场施工，预紧力的施加通过选择螺母实现；

(2)为降低工人操作水平不同对螺栓预紧力数值的影响，要求螺母旋转角度为120°～150°；

(3)考虑1.1倍的放大因数，将螺栓预紧力下限值设定为137 kN。

1.3 试验步骤与结果

螺栓拧紧后的预紧力即螺栓所受的拉应力，而拉应力与螺母旋转角度的关系难以直接通过试验验证。以螺栓拉伸后的拉应变为中间变量，首先测量拉应变与拉应力的对应关系，然后再测量拉应变与螺母旋转角度的对应关系，从而确定预紧力与螺母旋转角度的对应关系。

(1) 标定预紧力与拉应变的关系。将电阻应变片粘贴到6套试验螺栓的螺杆上，试样标号为1#、2#、3#、4#、5#、6#，然后将1#、2#、3#螺栓的应变片以全桥形式接入应变仪(按环向0°轴向、180°轴向共粘贴2片，如图1所示)。使用电子万能试验机对试验螺栓进行拉伸试验，同时使用应变仪测量拉伸过程中螺杆的拉应变数值，从而标定拉应力与拉应变的对应关系。3套螺栓的试验结果如图2所示，在0～150 kN范围内，拉应力与应变值成线性关系。

图1 应变片粘贴示例

图2 3套螺栓预紧力与拉应变关系曲线

(2) 紧密贴合。将4#、5#、6#试验螺栓固定于电子扭转试验机。安排一名现场操作工使用普通开口扳手，徒手将螺栓拧到不能转动为止，此时螺栓连接件被视为达到紧密贴合的状态。

(3) 预紧力的施加。螺栓达到紧密贴合状态之后，设计专门的夹具，将螺栓连接件固定于电子扭转试验机。然后，将应变片以全桥形式接入应变仪，并对螺母的初始位置作标记，如图3所示。启动电子扭转试验机对试样螺母进行旋转，并测量螺母旋转过程中的拉应变值。螺母旋转后的最终位置如图4所示。螺母旋转角度与螺杆应变值的对应关系如表1所示。