液压拉伸法紧固螺栓的流程和计算探讨

范春垒，徐庚，宋健，刘传丰

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛，266520）

法兰连接是工程项目中常用的管线连接方式，具有强度高、适用范围广、便于拆卸等优点。法兰连接最常用的螺栓紧固方式主要有传统扳手、扭矩扳手和液压拉伸，其中扭矩扳手和液压拉伸因其整个过程紧固数据的可控性，在工程项目中得到越来越广泛的应用。相比于扭矩扳手紧固螺栓，液压拉伸法通过液压以及拉伸器对螺栓轴向拉伸来实现预紧，可以消除在紧固过程中螺纹之间以及螺母和法兰面的摩擦产生的紧固力度偏差，并且可以同时拉紧多个螺栓，对整个法兰上的螺栓施加均匀的载荷。因此在紧固可靠性上，液压拉伸是比扭矩扳手紧固更适用于承载危险介质的大尺寸管道系统。

图1 液压拉伸器的结构原理

1 拉伸法紧固螺栓的原理

液压拉伸器主要由支撑桥、液压油缸（活塞）和拉伸头组成。用于拉伸的螺栓要比正常的螺栓长出一个螺母的厚度，以便于拉伸头夹持。

在安装拉伸器前，需要将螺栓螺母安装好，非拉伸一侧螺栓漏出螺母2～3丝的长度。

将拉伸器的螺母套筒套在拉伸一侧的螺母上，将支撑桥穿过螺栓架在法兰上，支撑桥上放置液压油缸，再将对应尺寸的拉伸头拧在长的螺栓上，用液压软管连接油缸和液压泵。

图2 液压拉伸器安装过程

启动液压泵，油缸活塞在液压油驱动下向上顶起拉伸头，进而将螺栓整体拉长，此时拉伸侧的螺母被带离开法兰面。用拨杆旋转螺母套筒，使螺母紧贴法兰[1]。

完成上述步骤后，卸去液压油压力，螺栓在弹性作用下回缩，载荷转移到螺母上，完成螺栓紧固作业。

2 拉伸压力值的计算

关于液压拉伸紧固螺栓的可控性，主要是指该方法可以比较精准的将螺栓紧固到目标应力值。液压拉伸器由液压泵驱动，在液压驱动泵出口处装有压力表和定压装置，在正式拉伸开始之前，需要将定压装置设置到指定压力值，正式拉伸过程中，压力渐渐升高，到达设定值后液压泵停止工作。因此计算拉伸的压力值十分重要。

拉伸压力值计算原理及过程如下。

拉伸到达指定压力时，螺栓因为发生形变产生的回弹力与拉伸头对螺栓的拉力形成一对作用力与反作用力，两个力大小相等，方向相反，也可以说螺栓回弹力与液压油对拉伸器油缸的压力大小相等。

根据力与压强的关系公式：

P螺栓—紧固时的螺栓应力；

A螺栓—螺栓拉应力面积[2]；

A活塞—液压油作用在拉伸头上的面积，即拉伸器活塞面积，由拉伸器厂家提供；

理想状态下，液压拉伸器的拉力能够全部转移到螺栓上。但是在实际操作中，在拉伸器达到指定拉伸力后，此时螺栓被整体弹性拉长，螺母离开法兰表面，此时螺母不受力。拧紧螺母卸去拉伸器压力后，螺母螺纹承受载荷发生变形，螺栓发生一定程度的回弹现象，导致螺栓的内部应力变小，减小的这部分载荷称之为载荷损失[3]。因此在实际应用中为了能够达到目标紧固应力，在对螺栓进行拉伸时，需要对液压泵的输出压力进行一定倍率的放大，该倍率称之为载荷损失系数KH。

载荷损失系数KH是由拉伸器厂家通过对一系列不同尺寸的法兰螺栓进行测试得到的实验数据，并归纳出计算公式如下：

其中，

Фb—螺栓直径；

G—螺栓的有效夹紧长度，如下图所示，

图3 螺栓的有效夹紧长度

由此，可以得到在实际拉伸中，液压泵的实际输出压力P实际为：

3 法兰螺栓拉伸紧固步骤

以应用比较广泛的50%覆盖率拉伸为例，整个法兰紧固步骤如下：

1） 在法兰上所有的螺栓进行数字编号，1,2,3,4……；

2） 在所有奇数编号的螺栓上安装拉伸器，启动液压泵，给拉伸器施加压力A（数值上等于1.25倍的P实际），保持系统压力稳定后，使用拨杆转动螺母，螺母接触到法兰面后稍微用力紧固。释放液压泵压力。再次执行本步骤，直到螺母不再有位移。

3） 将拉伸器拆下，转移到偶数编号的螺栓上，对拉伸器施加压力B（数值上等于P实际）。保持系统压力稳定后，使用拨杆转动螺母，螺母接触到法兰面后稍微用力紧固。释放液压泵压力。再次执行本步骤，直到螺母不再有位移。

4） 检查奇数编号的螺栓是否有过度载荷损耗。将拉伸器安装到随机选择的对称奇数螺栓上，施加压力B并尝试紧固螺母，如果螺母不能被进一步紧固，则螺栓紧固完成。如果螺母能够被进一步紧固，则将拉伸器安装到所有奇数螺栓上并施加压力B，再一次紧固螺母。紧固后拆除拉伸器。

5） 紧固完成后对螺栓进行最终检查，用小锤轻轻敲打每个螺栓，如果产生清一色的敲击声音，说明没有松动的螺栓。

4 总结

液压拉伸法紧固螺栓因为其本身的特性，可以在紧固过程中避免扭转载荷的产生以及对法兰面漆的破坏，大大增加了螺栓连接的质量和安全性能，同时在紧固力计算过程中不需要再考虑摩擦系数的影响，具有很高的精度，可以实现真正的同步紧固，因此在各大项目中获得越来越广泛的应用。但是液压拉伸法也有其局限性，例如拉伸器本身由于体积限制，不适用于小尺寸法兰节点，紧固作用力直接作用于螺栓，不适合屈服强度低的不锈钢螺栓等，因此能否采用液压拉伸法紧固螺栓能否应该视具体情况分析。