液压螺栓拉伸器相关问题浅析

2020-10-27钟正军

化工装备技术 2020年5期

钟正军*

（中国五环工程有限公司）

通常高压油泵产生的油压，经液压油管传送至活塞，通过液压螺栓拉伸器上的锁紧螺母与需上紧的螺栓相互作用而将螺栓拉伸，然后拨动螺母使其拧紧，再泄压以达到上紧螺栓的目的。液压螺栓拉伸器的选择和使用中出现的主要问题是螺栓输入载荷（螺栓要求的上紧力）、上紧油压系数、上紧方法等参数因拉伸器品牌不同而存在较大差异。如何判定通过输入确定的油压达到实际需要的螺栓上紧力并无统一标准。

1 拉伸器结构

拉伸器能够提供相对精确、均匀的上紧力，从而确保证法兰的密封性能。螺栓公称直径大于M48 mm时应采用拉伸器上紧。而高温，高压或易燃易爆介质等苛刻的工况情况下，M36 mm 以上的螺栓应使用拉伸器上紧。

根据拉伸头与活塞的连接特点，拉伸器的结构可分为2 种，如图1 所示。

与拉伸头和活塞一体型的结构相比较，拉伸头可拆型结构具有以下特点：拉伸器对螺母结构尺寸没有特殊要求，可根据螺母的规格尺寸定制拨圈，套在螺母上。螺母可采用图1 中要求的拉伸器专用螺母[1]（HG/T 21573—1995 标准中的DR 型/HI /DH 型螺母），也可用其他标准（GB/ASME/HG 等相关标准）中的螺母，其支撑桥的尺寸应根据螺母的尺寸定制。此外，当拉伸头与活塞组件分开时，针对不同规格的螺栓，仅需更换与之匹配的拉伸头即可，不需更换其他部件（如活塞、支撑桥等）。因此，可拆型结构的拉伸器互换性及通用性更好。

图1 拉伸器结构

2 种结构的拉伸器对于螺纹伸出长度（与拉伸头拧合长度）要求是一致的，即不得小于螺栓外螺纹直径，一般取其1.2～1.5 倍长度。

2 螺栓输入载荷

不同品牌的拉伸器对于螺栓输入载荷的要求存在较大差异。

2.1 螺栓预紧力

螺栓预紧力可通过相关标准（如ASME VIII-1，GB/T 150—2011《压力容器》）进行计算或通过有限元分析得到。

2.2 螺栓残余应力

ASME VIII-1 Appendix S 标准认为“初始拧紧螺栓是一个预应力状态，所产生的螺栓应力必须控制在适当的范围内，一方面防止所有情况下可能发生连接泄漏，另一方面又不产生过大应力导致螺栓和（或）法兰屈服产生松懈导致泄漏”。螺栓预应力通常可接受的范围为40%～70%的螺栓材料最小屈服强度。

2.3 螺栓最大/最小允许应力

螺栓最大允许应力通常为40%～70%常温下螺栓屈服应力，螺栓最小允许应力通常为20%～40%常温下螺栓屈服应力，部分螺栓应力值可参见相关标准。

国内品牌拉伸器一般采用螺栓预紧力作为螺栓输入载荷；国外品牌拉伸器多采用螺栓残余应力（载荷）作为螺栓输入载荷。

3 上紧油压计算

拉伸器上紧油压（要满足螺栓的输入载荷所必需的油缸压力，通过液压泵的压力表指示）的计算方法主要包括以下几种。

3.1 国内常用计算方法

上紧油压=螺栓预紧力×增值系数/油缸面积式中：增值系数=1.3。

计算时需考虑水压试验和正常操作时的预紧力，分别计算2 种工况时的上紧油压。

3.2 国外常用计算方法

（1）方法1

上紧油压=螺栓预紧力×损失系数/油缸面积式中：损失系数=1.15+2/R R=L/D ；

L——螺栓的有效长度；

D——螺栓直径。

（2）方法2

上紧油压=螺栓残余载荷×载荷传递系数/油缸面积

式中：载荷传递系数一般可取1.08～1.2。

该计算方法是基于法兰的最小屈服强度约为248 MPa（如SA 350）时考虑螺栓的残余载荷，一般可取30%～50%常温下螺栓屈服应力。

（3）方法3

上紧油压=螺栓预紧力×补偿系数（或损失系数）/油缸面积

式中：补偿系数一般可取1.6～1.9。

该计算方法主要考虑由垫片的压缩、内压和温度等引起的操作回弹以及螺栓拉伸（与螺栓直径、长度、螺纹形式、螺距有关）、连接法兰变形等导致的载荷损失。

（4）方法4

上紧油压=螺栓载荷×损失系数/油缸面积

式中：损失系数=1.01+D/L；

螺栓载荷=螺栓残余应力×螺栓面积。

（5）方法5

上紧油压=最小上紧载荷×损失系数×倍增系数/油缸面积

式中：最小上紧载荷=max(水压试验压力/设计压力×Wm1, Wm2)/螺栓个数，Wm1和Wm2可按ASME VIII-1标准计算获得。

对于标准法兰取1.1，非标准法兰损失系数取1.15；倍增系数=L/D。

综上所述，损失系数是各种计算方法中最重要的参数，大多计算法方中损失系数取1.15+2/R2（R=L/D）或与之近似，其中计算方法5 考虑的因素更全面合理。损失系数也可根据螺栓材料、长径比、垫片种类等参数进行分类测试后获得。

4 螺栓上紧力测量

拉伸器上紧后油压转化为螺栓实际上紧力（拉伸器拆卸后螺栓残余应力），可通过专用工具进行检测。采用超声波螺栓检测仪来检测螺栓实际上紧力的大小，验证上紧油压是否合适，判断采用的损失系数是否有效。此外，可对上紧后的螺栓用同样的液压拆松拉伸器，利用能否拆松的油压粗略评估实际的上紧力是否合适。

5 液压上紧程序

拉伸器的上紧程序与相关标准中推荐的程序相似，即根据拉伸器的数量，分步逐级增压上紧。国外与国内拉伸器的上紧程序存在明显差异。

国外品牌拉伸器的上紧程序通常具有经验特点。一般在上紧油压基础上增加交叉载荷系数影响（一般取1.15～1.25）作为第一步施加的油压，后续逐级降压上紧，最后一步或几步（根据螺栓个数确定）的施加油压为上紧油压。该类上紧程序主要考虑到分步紧固时相邻螺栓会出现松弛效应（即完成下一步螺栓紧固后，前一步上紧的螺栓已经松弛，之前施加的上紧力受到损失）。此外，每步上紧后拆除拉伸器，螺栓上紧力都会产生损失，第一步上紧后拆除拉伸器上紧力产生最大，以后逐步减小，最后一步施加并拆除拉伸器后上紧力损失最小。该类上紧程序与标准推荐程序相比，缩短了上紧步骤，节约了上紧时间。

上紧程序与拉伸器覆盖率（拉伸器数量与螺栓数量的比例）之间存在一定关联。理想的覆盖率为100%（此时上紧力最均匀，损失最小），此时可不考虑交叉载荷系数的影响，分一步或两步上紧即可，但拉伸器使用数量多、投资成本高，非特殊情况下不考虑。较合适的拉伸器最小覆盖率一般为25%，其上紧程序编制时应考虑覆盖率对上紧力损失的影响。拉伸器覆盖率的要求是非强制性的，一般情况拉伸器最少使用数量为4 个，少数情况下也可使用2 个。