特高壓鋼管塔高強度大扭矩螺栓緊固扳手的研制

劉博，王力爭，苗峰顯，方錫忠

(國家電網公司交流建設分公司，北京市 100052)

0 引言

“皖電東送”淮南—上海特高壓交流輸電工程是繼1000kV特高壓交流試驗工程后的第2條特高壓交流輸變電示范工程，是我國首條采用鋼管塔同塔雙回路架設的特高壓線路，其示范意義重大。鋼管塔采用帶勁法蘭螺栓連接，螺栓規格有6.8級和8.8級，螺栓型號有M16-M56，共計13種，螺栓扭矩為170～2500 N·m，平均單基鋼管塔含螺栓10000多個，螺栓規格之高、扭矩之大、數量之多在輸變電工程建設中尚屬首次。對于鋼管塔法蘭螺栓緊固，需首先解決3個問題:一是大扭矩螺栓的緊固。傳統輸變電建設中鐵塔螺栓的緊固多使用機械扭矩扳手，鐵塔螺栓主要承受剪應力，最大扭矩值一般在250 N·m以下，人力機械扭矩扳手均能實現緊固。但鋼管塔法蘭螺栓主要承受拉應力，對螺栓的緊固扭矩值和緊固精度均有較高的要求，緊固扭矩值過大，容易造成螺栓拉伸或脆斷。緊固扭矩值過小，螺栓容易松動。在風擾動的條件下，鐵塔舞動幅度增大，也會造成部分螺栓疲勞脆斷，安全風險較為突出。在本工程中，需將螺栓緊固精度控制在緊固扭矩值±10% 的誤差之內。在高空作業條件下，人力所能承受的最大扭矩約在300 N·m以內，而本工程大部分螺栓緊固精度要求均在300 N·m以上，最大扭矩更是達到2500 N·m，需研制能夠實現高精度和大扭矩螺栓緊固的專用機具。二是提高螺栓緊固效率。單基鋼管塔每個法蘭螺栓數量在十幾個至幾十個，整機塔平均螺栓用量為上萬顆，最多達2萬顆以上，傳統的人力緊固效率較低，緊固工作量巨大，需要開發施工效率高的法蘭螺栓緊固機具。三是機具的規格問題。工程共含螺栓型號13種，但如果僅考慮螺栓數量，并使用多種型號的緊固機具將會給高空作業帶來麻煩。

1 鐵塔螺栓專用扭矩扳手

1.1 扭矩扳手類別

螺栓緊固用的扳手按驅動可以分為機械扳手、氣動扳手、液壓扳手、電動扳手。

(1)機械扳手:操作和攜帶方便，適宜小扭矩螺栓緊固。但扳手的行星齒輪易損壞、耐用性不高;扳手效率低，螺栓型號越大，緊固效率越低;緊固精度不高，不能實現設定扭矩緊固。

(2)氣動扳手:扭矩大，易控制，易維修，使用安全;但笨重，不宜用于高空作業。

(3)液壓扳手:高精度，高效率，勞動強度低;但要求螺栓上方及周圍有足夠的空間。

(4)電動扳手:易于控制，精度高，勞動強度低，效率高;但供電安全可靠性要求高，且易發熱燒壞電機。

1.2 扭矩扳手選型

在綜合分析各類扳手優缺點的基礎上，本著開發高效率、高精度且適用于特高壓輸變電現場施工環境、力促帶動輸變電工程建設鐵塔螺栓緊固工具革命性變革的基本原則，選擇電動扭矩扳手作為本項目研究的重點。

1.2.1 螺栓緊固扭矩值要求

2011年，電力規劃設計總院確定了“皖電東送”淮南—上海特高壓交流輸電示范工程鋼管塔法蘭螺栓緊固扭矩值，除M16按照常規螺栓緊固扭矩要求定為100 N·m外，其余12種螺栓緊固扭矩值如表1所示。

1.2.2 各型螺栓的空間分布

為對電動扭矩扳手所帶套筒做科學的劃分，對“皖電東送”淮南—上海特高壓交流輸電示范工程具有代表性的部分鋼管塔螺栓分布進行了分析，如表2所示。M20、M24、M27、M304 種螺栓占91%以上，M33 及以上螺栓占9%左右。法蘭盤中螺栓與螺栓之間的距離以及螺栓與鋼管外徑之間的距離是緊固螺栓的可用操作空間，套筒的大小和壁厚必須滿足該操作空間要求。圖1給出了對焊法蘭螺栓的基本參數，需根據參數確定電動扭矩扳手的操作空間。工程共有法蘭規格90種，表3給出了部分法蘭螺栓詳細參數。

表1 螺栓緊固扭矩值Tab.1 Torque of fastening bolt

表3 法蘭螺栓基本參數表Tab.3 Parameters of bolts in flanges mm

1.2.3 電動扭矩扳手的研究內容

根據鋼管塔法蘭螺栓緊固空間及施工作業環境，電動扭矩扳手的主要研究方向和解決的問題是:根據螺栓的空間距離，研究專用套筒。套筒壁厚需滿足操作空間要求，套筒材質應能承受制定扭矩值的受力要求;按照所緊固螺栓的型號和螺栓在鐵塔中的空間分布特點，對電動扭矩扳手做合理的分類，每一把扳手應帶多個套筒，全部扳手覆蓋所有螺栓;扳手需要高精度，防止風擾動造成螺栓受力疲勞而拉斷;提高螺栓的緊固效率，降低勞動強度;盡量減輕質量，適合高空作業;采取措施防高空脫落零部件;根據實際需要，開發一種滿足各類驗收所需的直流扭矩扳手。

1.2.4 電動扭矩扳手的型號

根據不同螺栓研制了2套共6種型號的電動扭矩扳手，扭矩覆蓋范圍為100～2500 N·m;2套電動扭矩扳手的基本參數如表4、5所示。

1.3 交流電動扭矩扳手的研制

1.3.1 零件的組成

電動扭矩扳手基本構件包括顯示板、電源開關、扶手、電機及外殼、減速箱、反力臂、輸出方隼、標準套筒等(見圖2)。

1.3.2 電機選型

扭矩扳手電機由機殼、端蓋、轉子、定子、電刷組件等組成。散熱采用風扇冷卻方式;轉子為繞線式，應用銀銅合金換向器;端蓋采用高強度航空鈦合金材料;選用高速低噪音軸承;定、轉子選用低損耗優質硅鋼片;繞組用E級絕緣高強度漆包線;碳刷架與電機座采用一體式設計，碳刷定位牢靠，火花小且穩定。配套電機為單相高速串激電機，改進電機繞組設計，軟化電機特性曲線，擴大電機扭矩覆蓋范圍，提高電機扭矩輸出線性度，實現了小尺寸大功率的要求。

圖2 交流電動扭矩扳手Fig.2 AC electrical wrench

1.3.3 扭矩控制單元

常規電動扭矩扳手一般是通過控制電流實現輸出扭矩控制，受磁場等外部環境影響，輸出誤差一般較大，最大誤差甚至超過±30%。本項目所研發的電動扭矩扳手是將電機電壓、轉速、反向電動式等影響扭矩的指標參數同時輸入單片機，通過控制單元的運算控制輸出扭矩值，大幅度提高了扭矩輸出精度，可確保輸出精度控制在±6%以內。

1.3.4 減速機

減速機采用多級行星齒輪，且均采用滲碳或高頻表面熱處理，具有精度高、噪音低、壽命長的特點;減速機與電機連接件采用鋁鈦合金材料，降低整機質量，較進口扳手質量輕10%左右;減速機在未啟動前可以靈活轉動，便于方隼、套筒與螺母的迅速配合，可提高施工效率。

1.3.5 反力臂

選用航空鋁鈦合金作為反力臂材料，降低反力臂質量;反力臂與扳手采用齒輪連接，可360°旋轉，便于尋找支撐點;反力臂采用橡膠圈固定定位，使用方便，安全可靠。

1.3.6 套筒

針對高頸法蘭螺栓雙螺母緊固的要求，設計了專用套筒，該套筒每次只能緊固1個螺母，緊固第2個螺母不受第1個螺母影響。套筒材質選用高強度合金鋼鍛件毛坯錘件，提高套筒強度，降低套筒質量，它僅為國家標準質量的75%;套筒具有自鎖功能，防止高空墜落;套筒外表面做了拋光發黑處理，可有效抗金屬表面氧化，產品美觀，適應現場施工環境要求。本項目研制的套筒與國標套筒質量對照見表6。

表6 本項目研制的套筒與國標套筒質量對照表Tab.6 Comparison of weight between developed sleeve and national standard sleeve kg

1.3.7 配套電源

配套電源選用適于野外作業環境的輕型AC 220 V發電機，單臺發電機容量約5.0 kW，單臺質量約75 kg，考慮4套電動扭矩扳手同時使用，可配備2臺發電機，每臺發電機為2套電動扭矩扳手供電。發電機出線應先進入施工電源配電箱，加強用電安全管控。電動扭矩扳手電源線選用3×25 mm2三芯銅芯電纜，其中2根銅芯線作供電電源線，剩余1根作保護接地線。在施工作業點的電纜端頭采用RS系列工業用防水、防塵連接器與電動扭矩扳手連接，防止意外掉電和觸電。施工配電箱內需設置過載保護、漏電保護、欠壓保護等裝置，對無輸出電壓、頻率裝置的發電機，應在配電箱內安裝電源、頻率指示裝置。配電箱、發電機外殼必須作接地處理，接地電阻不得大于4 Ω。現場電源線布線如圖3所示。

圖3 RS系列工業用防水防塵連接器Fig.3 RS industrial waterproof-dustproof connector

1.4 直流電動扭矩扳手的研制

所研發的直流電動扭矩扳手采用單片機控制技術，通過智能操作面板來設定控制電機輸入電流，實現扭矩值的精確輸出。

1.4.1 電池包

采用了特高容量、小體積、壓縮型動力鎳氫電池，電池包內裝有自主研發的溫保裝置及熱敏電阻，使電池工作及充電溫度控制在55℃以內，實踐證明電池壽命較原來提升2～3倍，是市場同類產品的5～6倍。為確保高空作業的施工安全，電池安裝包具設計有鎖扣和防墜落裝置，有多頭螺紋設計的防墜落裝置，保證了作業安全，操作簡單、使用方便。

1.4.2 智能集控系統

(1)控制面板。為便于施工現場操作，在電動扭矩扳手上設置扭矩微調按鍵“++”、“－－”，并在顯示屏上顯示扭矩值。長按“++”號鍵1s，顯示屏將進入顯示扭矩微調值界面，然后通過“++”、“－－”設定扭矩值。

(2)察看預緊螺栓顆數功能。長按“－－”號鍵1 s，顯示屏將顯示螺栓緊固個數。電動扭矩扳手在預緊每一顆螺栓時，扳手將自動累計所緊固螺栓的數量，并記憶上次輸出扭矩值，具有防過載功能。

(3)低壓報警。蓄電池電量在使用一段時間后，電壓會有所降低。在輸出設定扭矩值不變的情況下，電壓降低會造成電流輸出較大，進而使得電池嚴重發熱而損壞。低壓報警系統會在電壓低于設定值后發出蜂鳴報警聲，并在顯示屏上顯示LO字樣，提醒需更換電池。

(4)錯誤報警。當預緊扭矩值與設置值不符時，需松開螺栓，重新扭緊1次，此時將出現錯誤報警，并在顯示屏上出現EET，表示此次操作失敗，控制系統對本次操作不做記錄。

(5)恒功恒速和無極調速功能。直流電動扭矩扳手從開機到過載保護自動停止，輸出轉速始終是5 r/min，確保螺栓受力均勻及操作者的安全，扭矩值可在100～700 N·m任意設置，實現無級調速功能。在扭矩值達到預定時，可自動回轉，解決了在預緊螺栓過程中螺母與套筒之間咬死的問題，減少了一些煩瑣的操作程序，加快螺栓的緊固速度，提高了工作效率。

(6)直流電動扭矩扳手的結構分解如圖4所示。

圖4 直流電動扭矩扳手Fig.4 DC electrical wrench

1.5 電動扭矩扳手的特點

本項目屬于組塔施工機具創新領域，共申報2項發明專利和1項實用新型專利。

(1)針對鋼管塔法蘭螺栓特點，研制了專用套筒。套筒的壁厚和大小完全符合帶勁法蘭的要求，套筒內部受力均勻。

(2)直流電源扭矩扳手可在無交流發電機的施工環境下工作，電源不足時自動報警，在螺栓緊固扭矩值檢查方面具有很大優勢。

(3)緊固到預定扭矩后可自動逆轉3°，便于取下套筒。

(4)采用數碼扭矩顯示器，便于施工操作。

(5)質量明顯低于國外同類產品，約輕10%。

(6)研制中空頭，解決了鋼管塔斜材處螺栓難以緊固的問題。

(7)采用無級調速，提升了緊固效率。

(8)軸承采用調芯設計，避免電機過熱，大大降低了噪音。

1.6 電動扭矩扳手經濟效益分析

在“皖電東送”工程鋼管塔首基試點中，進行了電動扭矩扳手試用檢驗。施工18標K47塔(塔型:SZ322－60)，共有螺栓13471個，分別為6.8級螺栓10984個(型號分別為M16、M20)，8.8級螺栓2487個(型號分別為 M20、M24、M33、M36、M39)。使用SJDB-A400型扳手緊固12499個，平均螺栓緊固效率為15 s/顆;SJDB-A800型扳手緊固972個，平均螺栓緊固效率為45 s/顆。總體效果與實驗室試驗結果一致，緊固精度和緊固效率符合預期，具備全面推廣的條件。

在大扭矩螺栓緊固問題方面，電動扭矩扳手已成為必需工具。1套電動扭矩扳手費用在20萬元左右，技術日益成熟后，費用會進一步降低。

2 電動扭矩扳手使用前景展望

所研制的電動扭矩扳手解決了大扭矩高強度螺栓緊固難題，緊固范圍為100～2500 N·m。因人力所能緊固的最大扭矩約為250 N·m，在緊固扭矩超過250 N·m時，必須采用電動扭矩扳手。隨著人力成本的提高和施工機械化水平的提升，螺栓緊固工作會逐步淘汰人力機械扳手，將更多地習慣于使用電動扭矩扳手等施工效率高、緊固精度高的新型機具。在未來輸電建設鐵塔組立施工中電動扭矩扳手將具有很好的使用和推廣價值。

3 結語

本項目所研究的高強度電動扭矩扳手，解決了“皖電東送”特高壓工程8.8級高強度螺栓緊固難題，并首次在工程中使用，填補了我國輸電線路工程建設電動扭矩扳手應用的空白，引領了我國輸變電工程建設螺栓緊固的發展方向;提高了螺栓緊固的精度，進一步保證了工程質量，有效地保證了輸電線路結構的長期運行安全。可以展望，電動扭矩扳手的大規模推廣應用，必將推動螺栓緊固施工方法的革命性變革。

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