输电线路引流板螺栓拧紧工艺的研究

吴正树 李守信 张利娜 李清燕 荀雪峰

（1. 中国南方电网超高压输电公司南宁局，南宁 530021； 2. 中国能源建设集团南京线路器材有限公司，南京 211500）

0 引言

在超高压输电线路中常见到耐张线夹引流板因螺栓松脱而引起发热的现象，耐张线夹样图如图1所示，引流板螺栓松脱如图2所示。螺栓松脱通常归因于输电导线长时间的微风振动，但在实际检修中发现，引流板螺栓存在施工不规范的问题，有些螺栓松脱是因安装扭矩不合适而造成的[1]。螺栓的 安装扭矩在钢结构设计施工和汽车装配中是一个重要的工艺指标[2-3]，在输电线路工程中则常常不被 重视。

图1 耐张线夹样图

图2 引流板螺栓松脱

本文通过对耐张线夹引流板螺栓扭矩进行设计计算，结合螺栓扭矩-预紧力试验，对引流板螺栓的推荐扭矩值和拧紧工艺进行研究。

1 螺栓扭矩的理论计算

超高压输电线路中，耐张线夹引流板的螺栓通常采用扭矩法进行拧紧，扭矩和预紧力的关系为

式中：T为扭矩；K为扭矩系数；Ff为预紧力；d为螺栓公称直径。

1）预紧力Ff的确定

式中：As为螺栓公称应力截面积；δy为螺栓的屈服点。螺栓的预紧力设计值由式（2）计算，并取5kN的整数倍[4]。

2）扭矩系数K的确定

对于标准六角头螺栓，螺栓的安装扭矩需要克服螺纹间的摩擦阻力矩Ts和螺母与支撑面之间的摩擦阻力矩Tw，即

根据GB/T 16823.2中5.1条规定[5]，扭矩系数K为

式中：P为螺距；μs为螺纹摩擦系数；d2为螺纹中径；α′为牙侧角，普通三角螺纹的牙侧角为30°；μw为支撑面摩擦系数；dw为接触的支撑面外径；dh为接触的支撑面内径。

参考机械设计手册，K值主要取决于两个摩擦系数μs和μw，六角头螺栓的尺寸大小对K值的影响是很小的，设计计算时可参考表1推荐值[6]。

表1 扭矩系数K推荐值

以耐张线夹引流板使用的热镀锌4.8级M12螺栓为例：螺栓表面镀锌无润滑时K取值0.22；考虑到安装时螺栓易沾染电力脂，此时螺栓表面镀锌有润滑时K取值0.18；代入式（1），得出4.8级M12螺栓扭矩的理论计算值为38～46N·m。

2 螺栓扭矩-预紧力试验

因锌层厚度、润滑条件、垫圈和温度等多种因素的影响，热镀锌螺栓扭矩系数的离散性高于普通螺栓[7-9]。本节通过扭矩-预紧力试验，实测有润滑（涂凡士林）和无润滑的热镀锌螺栓的扭矩系数，同时进行螺栓的失效试验，并分析其失效过程。

2.1 试验方案

引流板搭接试件和螺栓头部使用试验夹具固定，试验夹具应能承受预紧力和扭矩的复合载荷，而不应产生永久变形和位移。压力传感器置于螺母与铝板之间，螺栓尾部应伸出螺母端部至少有2～3扣[10]。试验设备清单见表2。

表2 试验设备清单

试验时扳拧速度应缓慢、均匀。拧紧力矩-预紧力试验布置如图3所示。

图3 拧紧力矩-预紧力试验布置

2.2 扭矩系数实测试验

试验时，热镀锌螺栓拧至40N·m时记录对应的压力值，代入式（1）即可计算出实际的扭矩系数K。

扭矩系数实测值见表3，螺栓有润滑时K值范 围为0.13～0.18，无润滑时K值范围为0.25～0.33，数据表明热镀锌螺栓的扭矩系数分散性偏大，尤其是无润滑状态，在镀锌质量较差时，有预紧力偏低的可能性。

表3 扭矩系数K实测值

2.3 螺栓失效试验

在上述试验的基础上，继续增加扭矩直至螺栓连接失效。通过试验发现有润滑和无润滑的失效过程及结果有明显的不同。螺栓失效试验照片如图4所示。

图4 螺栓失效试验照片

有润滑时，当超过屈服扭矩时，螺栓的变形发生在螺纹连接处，表现为螺牙受损甚至被磨平，最终发生滑牙，如图4（a）所示。此时螺栓仍然可以使引流板保持机械连接，但从通流性能方面考虑，螺栓连接已失效。

无润滑时，当超过屈服扭矩时，螺栓的变形发生在螺杆处，表现为螺杆受拉后出现颈缩现象，最终因螺杆断裂而使连接失效，如图4（b）所示。

在实际工程施工中，螺栓并不是拧得越紧越好，螺栓严重超拧时会导致螺栓受损，从而降低连接的可靠性。耐张线夹引流板的螺栓应按照设计要求施加合适的扭矩值，避免按经验施工可能导致的超拧现象。

3 螺栓的推荐扭矩值

从产品设计方面考虑，耐张线夹引流板的电阻随着压力的增加而减小，螺栓的预紧力越大，接触电阻越小，通流性能越好。

但考虑到引流板的材质为纯铝，其屈服强度低且蠕变率大。通常，施加在引流板上的最大紧固压力大大超过了不产生蠕变的最大压力，在运行中引流板发生蠕变的压力将逐渐下降并稳定在一个不再进一步蠕变的数值上。因纯铝蠕变速度与接触面上的单位压力有直接关系，过高的螺栓预紧力会加剧引流板的蠕变反应，不利于引流板的长期稳定运行。

综合以上两点，螺栓扭矩产生的压应力应使引流板可靠连接，同时不会出现明显的蠕变反应。

参照GB/T 50233《110～500kV架空送电线路施工及验收规范》及GB/T 50389《750kV架空送电线路施工及验收规范》，4.8级螺栓的紧固扭矩值不应小于表4的规定，4.8级以上的螺栓紧固扭矩值由设计规定，若设计无规定，宜按4.8级螺栓的标准执行。

表4 钢制螺栓的紧固扭矩值

4 螺栓扭矩值的验证试验

本试验以4.8级M12螺栓紧固的引流板为例进行直流电阻和温升试验，验证力矩值的合理性。因耐张引流板发热试验主要关注的是引流板平板搭接位置，与耐张线夹管体、钢锚部分关系不大，为减少工作量，本试验采用简易的引流线夹搭接型式进行分析。

试验方法参考GB/T 2317.3《电力金具试验方法 第3部分：热循环试验》的相关规定。螺栓拧紧力矩采用推荐力矩值40N·m。试验设备包括直流电阻测试仪、大电流温升设备和温度传感器，试验照片如图5所示。

图5 试验照片

温升和电阻试验结果见表5，各试件的温升值均低于参考导线的温升值，试件温升前/后的电阻值均低于参考导线的电阻值，符合标准要求。

表5 温升和电阻试验结果

5 其他建议

结合超高压输电线路工程的实际情况，本文对耐张线夹引流板螺栓的拧紧工艺提出以下几点建议：

1）螺栓规格

输电线路工程中耐张线夹引流板螺栓优选M16螺栓，但部分老旧线路中仍有少量4.8级M12螺栓。M12螺栓推荐扭矩40N·m，如安装时不使用扭矩扳手则很容易拧至标定值两倍即80N·m左右，此情况下螺栓严重超拧会极大降低连接的可靠性。所以施工时需使用力矩扳手，并按螺栓规格施加合适的扭矩值。

2）摩擦系数

因热镀锌螺栓扭矩系数的离散性高于普通螺栓，同一工程的耐张线夹引流板螺栓应采用同厂家同批次的产品，并在安装前空拧几次，确保螺纹部分无影响摩擦系数的毛刺或污物，保证安装质量的一致性。

3）螺栓垫圈

耐张线夹引流板螺栓应配合加厚大垫圈使用。加厚大垫圈可以改善平板的受力情况，避免垫圈下的铝板出现压痕。

4）拧紧速度

扭矩扳手的拧紧速度对摩擦系数影响较大[11]，考虑到静摩擦因数通常略大于动摩擦因数，在施加扭矩时，扭矩扳手的扳拧速度应均匀，到达设定扭矩值附近时必须放缓动作，听到提示音后立即停止转动，以免过拧。对于四个及以上螺栓的引流板，螺栓组应交叉复拧。

5）螺栓换新

线路检修时，对于引流板螺栓出现松动变形或性能欠佳的情况，建议螺栓、螺母和垫圈全套换新后重新拧紧。

6 结论

本文通过理论和试验分析，对耐张线夹引流板螺栓的扭矩-预紧力和失效过程进行了研究，给出了推荐力矩值，并通过引流板温升试验验证了推荐力矩值的合理性。通过优化耐张线夹引流板螺栓的拧紧工艺，可提高引流板螺栓连接件的可靠性和导流性，从根本上解决引流板发热问题，对超高压输电线路的安全稳定运行具有重要意义。