此道非彼道CLAMP拉伸螺母緊固技術在水電站球閥緊固中的應用

上一期在本專欄中，向讀者介紹了電力企業汽輪機低壓缸連接體應用凱特克螺栓預緊力控制技術的案例，本期將繼續介紹此技術在電力企業-天荒坪水電站球閥大法蘭上的應用情況。

天荒坪水電站是一座抽水蓄能電站，球閥是抽水蓄能水電站重要設備之一，在抽水和發電的時候水流都是由該球閥來控制，其作用是水輪機及發電機組檢修時通過該閥切斷壓力鋼管水流通道內的水流，保證檢修的安全；水輪機及發電機出現異常時可有效切斷水流，防止事故的發生。由于水輪機運行的特殊要求，球閥在水電站的運行中如果不能滿足工況系統的使用要求，會導致機組無法運行的現象。由此可見球閥的安裝可靠性非常重要，球閥上的螺栓緊固工藝要求也相對比較高，為了保證球閥螺栓緊固力的精確均勻性，通常這些螺栓都作了伸長量的處理。

企業在連接處緊固中通常用傳統“氧—乙炔火焰槍直接加熱法”，由于其設備簡單，操作便捷，曾經是一種早期國內電站施工廣為使用的工藝。

而焊槍火焰對螺栓孔內的溫度是相當之高的，并存在不同的溫度，靠近內焰區域溫度最高，而外焰所處區域漸次延伸。對螺栓造成熱損傷，高溫使材料受到應力作用，在孔壁的薄弱處（如粗加工刀痕）產生橫向裂紋。

因此，氧乙炔火焰加熱的缺點是火焰溫度高，而且集中，容易造成加熱孔壁局部金屬過熱，產生較大的應力，金相組織結構發生變化，長期使用會降低螺栓使用壽命，由熱損傷產生的裂紋在運行中繼續發展，直至螺栓斷裂或在裝卸過程中被擰斷。并且耗時長，存在回火危險等弊病，故，“氧—乙炔火焰直接加熱法”在緊固中是不適宜的方法。

隨著科技的發展，緊固螺栓的工藝也在不斷創新，20世紀60年代末出現了新的一種螺栓緊固工具——液壓扳手，這種工具是通過克服摩擦力做功，實現對螺栓緊固的，相對于“氧—乙炔火焰直接加熱法”而言，這是一種很大的進步，因為無需加熱，在緊固效率上已經有了很大的改善；但是液壓扳手也有自身的不足。

由于是克服摩擦力做功，控制的是扭矩，而非預緊力，使用液壓扳手緊固的螺栓預緊力精度一般在30%以內，因此不能精確控制螺栓預緊力即螺栓伸長量。

液壓扳手存在“偏載”現象，這種現象容易導致螺栓螺母咬牙。

用液壓扳手緊固螺栓時，雖然可以設定轉動螺栓的扭矩，但必須要有一個反作用力臂來平衡驅動力，否則機具就原地打轉了。根據力矩平移定律，此時液壓扳手的效果等效于一個力偶加上一個與此力偶垂直的側向力。由于螺栓和螺母之間的螺紋為面接觸，有間隙，此側向力將螺紋之間的面接觸改變成線接觸，大大增加了螺紋之間的摩擦系數，隨著正壓力的增加，摩擦阻力也在增加。而隨著反作用力臂支點的變化，一方面會使螺紋之間線接觸的角度發生變化，從而引起摩擦系數發生變化；另一方面會使側向力的大小相差很大，導致每條螺栓在緊固時產生的實際摩擦阻力會相差很大。液壓扳手緊固螺栓時的照片如圖1。

雖然液壓扳手給每條螺栓都提供了相似的緊固力矩，但是在克服了未知、而且不同的摩擦阻力后，剩余的力矩才能轉化成預緊力，所以每條螺栓的預緊力數值也不同，而且還是個未知數，通過實際試驗測量出螺栓的預緊力的精度約為±15%～30%。

圖1 帶反作用力臂液壓扳手

美國HYTORC公司在1968年發明了世界上第一部帶反作用力臂的液壓扳手，為世人提供了能夠緊固大尺寸螺栓的機具，幫助工人扔掉了大錘。

但是，這個反作用力臂也帶來了巨大的負面的影響，如：不知道緊固后的螺栓實際的預緊力是多少？由于反作用力臂在緊固螺栓時，給螺栓施加了一個巨大的側向力，這個側向力和反作用力臂的長度有關，往往在幾噸的數量級，這么大的力作用到一個小小的螺拴上，一方面會產生巨大的摩擦力，會大量消耗液壓扳手的驅動力，使螺栓的預緊力達不到預定的值，另一方面容易夾傷操作人員的手指，還會損壞液壓扳手的外殼和螺栓的螺牙，使螺栓在檢修時很難拆卸，不得已時要動用氣割破拆。

為取消反作用力臂，HYTORC公司在20世紀90年代初首次推出了一項無反作用力臂緊固螺栓的專利技術。

用一個自帶反作用力臂的CLAMP拉伸螺母（圖2）由內套筒，外套筒和墊圈組成，代替常規螺母。

工作原理：內套筒的內壁有細牙內螺紋，和螺栓的螺紋嚙合，內套筒外壁有梯形的外螺紋和外套筒的內螺紋嚙合。當機具順時針轉動外套筒時，使內套筒得到一個向上的力，在提升套筒時，因為內套筒的細螺紋和螺栓的細螺紋嚙合，就把提升力傳遞到螺栓，于是螺栓也被提升，這個力垂直向上，沒有偏載，同時對外套筒有一個垂直向下的力，該力作用到墊圈上，并通過該墊圈作用到法蘭面。轉動外套筒產生的反作用力矩，通過外套筒傳遞到機具上，機具的外殼和內套筒上部的鍵槽嚙合，而內套筒下端外側有齒形花鍵插入墊圈內壁的齒形鍵槽中，是可以垂直移動而不能轉動的，從而巧妙地平衡了反作用力矩，CLAMP拉伸螺母就這樣取消了傳統的反作用力臂。

圖2 CLAMP拉伸螺母結構圖

由于在拉伸螺母內部控制了所有相對運動部件的摩擦力，使各條螺栓產生的摩擦阻力相對一致。由液壓機具（圖3）產生（相對一致）的扭矩，減去了螺栓（相對一致）的摩擦力后，所剩的扭矩也相對一致，所剩扭矩轉變成螺栓的預緊力也相對一致了。用這種方法緊固的螺栓，其預緊力的精度經BASF（德國巴斯夫實驗室）測試為±4%，在實際應用時取±5%。

圖3 CLAMP拉伸螺母和驅動機具

另外，凱特克的緊固方案都遵循美國ASME緊固標準，在保證預緊力精確的同時，還要保證法蘭結合面平行閉合，這就要采取對稱的形式進行緊固，由于是由同一臺泵站提供壓力，因此每部緊固機具的緊固力都一致，這樣就不會產生法蘭翹邊現象，保證密封效果。如圖4所示同步緊固技術。

圖4 同步緊固技術

CLAMP拉伸螺母在天荒坪水電站球閥大法蘭螺栓緊固中的應用（圖5）

圖5 現場使用CLAMP螺母緊固球閥螺栓

首先先對球閥螺栓工況作了調研，每個球閥有32顆M85螺栓，緊固后螺栓伸長量要求 0.6 mm±5%（即 0.57～0.63 mm），然后在實驗室模擬實際工況進行測試。

圖6為載荷測試儀測定載荷以及螺栓對應伸長量。測試結果符合要求的精度0.6 mm±5%。

接下來進行現場安裝，現場安裝情況如圖7。

圖6 千分表測伸長量和載荷表測載荷

圖7 現場安裝CLAMP螺母照片

通過使用CLAMP螺母結合液壓扭矩拉伸機緊固球閥螺栓，無需加熱、無需額外反力支撐點，冷拆冷緊，快速安全；一方面縮短了檢修工期，由原來的一天半時間減少為3 h；另一方面，螺栓預緊力精度得以保證，經過測量，螺栓的伸長量完全在要求的0.6 mm±5%（0.57～0.63 mm）以內。

通過對傳統舊工藝焊槍加熱緊固，液壓扳手緊固，反作用力臂液壓扳手，CLAMP拉伸螺母拉伸達載荷幾種技術的詳細分析及實驗，最終根據數據得出，使用CLAMP拉伸螺母拉伸達載荷技術，可進行冷拆冷裝，省時減耗，安全準確。對天荒坪水電廠球閥大法蘭螺栓緊固采用了此技術，獲得成功。正所謂山外山，樓外樓，凱特克CLAMP拉伸螺母預緊力控制技術之道摒棄了傳統舊工藝那條道，此道，真功夫也！