風(fēng)電安裝中高強(qiáng)螺栓的力矩系數(shù)檢測與驗收探究

韋 冬，李 東

（1.天津中北港灣工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，天津 300222；2.西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，陜西 710001）

引 言

風(fēng)電行業(yè)為新興行業(yè)，各風(fēng)機(jī)廠家更多的是關(guān)注風(fēng)機(jī)產(chǎn)品本身質(zhì)量，不注重高強(qiáng)螺栓的售后服務(wù)導(dǎo)致現(xiàn)場安裝與廠家設(shè)計部門脫節(jié)，安裝公司與制造廠均對高強(qiáng)螺栓連接這一重要質(zhì)量控制點了解關(guān)注不夠。根據(jù)電力質(zhì)檢站對各處風(fēng)電工程檢查的通報中常有高強(qiáng)螺栓進(jìn)場復(fù)驗缺項，尤其缺少關(guān)鍵的扭矩系數(shù)或預(yù)緊力值檢測報告。

目前國內(nèi)關(guān)于風(fēng)機(jī)安裝用超大規(guī)格高強(qiáng)螺栓的相關(guān)規(guī)范不夠完善，在復(fù)驗與驗收環(huán)節(jié)存在爭議較多，希望通過本文能引起國內(nèi)風(fēng)機(jī)廠家設(shè)計與安裝單位的重視，為后續(xù)風(fēng)電工程風(fēng)機(jī)安裝中的高強(qiáng)螺栓施工環(huán)節(jié)的質(zhì)控提供有益的借鑒指導(dǎo)。

1 高強(qiáng)螺栓連接方式及原理

我們把性能高于8.8級的螺栓稱為高強(qiáng)螺栓，主要有8.8級與10.9級，其區(qū)別是公稱抗拉強(qiáng)度與屈強(qiáng)比不同。高強(qiáng)螺栓主要是通過其螺栓柱的預(yù)應(yīng)力使相鄰構(gòu)件間夾緊來實現(xiàn)連接作用的。

高強(qiáng)螺栓連接類型分為承壓型與摩擦型兩種，大六角高強(qiáng)螺栓連接副通常由一個螺栓、一個螺母、兩個墊圈組成，屬摩擦型連接（GB/T 1231-2006）；扭剪型高強(qiáng)螺栓連接副由一個螺栓、一個螺母、一個墊圈組成，屬承壓型連接（GB/T 3632-2008）。見圖1。

圖1 磨擦型與承壓型高強(qiáng)螺栓連接副型式的區(qū)別

高強(qiáng)螺栓安裝施工是通過扭矩扳手或張拉器給螺栓桿施加預(yù)拉力使連接構(gòu)件夾緊，從使連接的整體性和耐久性達(dá)到設(shè)計要求。承壓型連接和摩擦型連接兩者之間的不同是連接后的螺栓所受的承力狀態(tài)不同。

摩擦型連接是通過施加預(yù)緊力使構(gòu)件間產(chǎn)生的摩擦力作為承力狀態(tài)，即保證連接構(gòu)件在其工作期間所承受的荷載力不超過其最大摩擦力，在板件之間不會發(fā)生相對滑移變形（螺桿和孔壁之間始終保持原始間隙），從而使被連接板件形成整體受力。

承壓型連接中允許外部荷載超過其被連接構(gòu)件接觸面間的最大摩擦力，連接板件之間發(fā)生相對滑移后螺栓桿與孔壁產(chǎn)生接觸，此后連接就靠螺栓桿本身強(qiáng)度和孔壁強(qiáng)度以及板件間的存余摩擦力共同受力傳力，最后以桿軸應(yīng)力松馳或孔壁破壞作為連接受力的極限狀態(tài)。

目前，風(fēng)電安裝中通常采用高強(qiáng)螺栓采用大六角頭螺栓磨擦型連接。

2 現(xiàn)有規(guī)范試驗檢測標(biāo)準(zhǔn)析義及應(yīng)用

目前國內(nèi)涉及高強(qiáng)螺栓連接副復(fù)驗及施工的國標(biāo)、行標(biāo)主要有5部，其中NB/T 31082為能源局行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是參照歐標(biāo)EN 14399系列及國標(biāo)系列專門為風(fēng)機(jī)安裝編制的，應(yīng)予以重視及采用。

2.1 NB 31082-2016規(guī)范的解讀

高強(qiáng)螺栓最小規(guī)格為 M12，常用 M16～M30，在GB/T 3632-2008、GB/T 1231-2006、JGJ 82-2011中均規(guī)定了此類常用高強(qiáng)螺栓的所有檢測項目和具體試驗所需數(shù)據(jù)。但風(fēng)機(jī)用高強(qiáng)螺栓均為超大規(guī)格的螺栓，螺栓規(guī)格基本均在M30以上，上述規(guī)范中并沒有給出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)拉力值（緊固軸力）供力矩試驗用。現(xiàn)有規(guī)范給出的高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力范圍僅有M12～M30，見表1。

表1 一個高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力P /kN

其中 NB/T 31082-2016規(guī)范中雖然規(guī)定了M36～M64規(guī)格的高強(qiáng)螺栓連接副力矩試驗要求，但亦沒有給出試驗用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)拉力值且無抗滑移試驗要求，根據(jù)我的分析有以下兩點原因：

1）根據(jù)GB 50017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范計算預(yù)拉力設(shè)計值公式為：P=0.9×0.9×0.9×fu×As/1.2（fu為最小抗拉強(qiáng)度），即按 0.6075系數(shù)（0.9×0.9×0.9/1.2=0.6075）換算取值。其考慮了以下影響系數(shù)：施工時預(yù)拉力的松馳損失 0.9，材質(zhì)的不定性系數(shù) 0.9，考慮用fu而不是fy作為標(biāo)準(zhǔn)值系數(shù) 0.9，考慮螺栓緊固時扭矩對螺桿的不利影響系數(shù) 1.2。故國內(nèi)高強(qiáng)螺栓相關(guān)施工驗收規(guī)范中給出的高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力數(shù)值表均是按 0.6075推算出來的。

目前歐標(biāo)EN 14399規(guī)定預(yù)拉力值取0.7的抗拉強(qiáng)度與受力截面乘積，即P=0.7×Rm×As/1 000（Rm為螺栓公稱抗拉強(qiáng)度，As為公稱應(yīng)力截面積）。國外規(guī)范取值一般是按照螺栓本身的強(qiáng)度設(shè)計的，只按材料分項系數(shù)和安全系數(shù)進(jìn)行折減，高于我國的規(guī)范取值。《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定：高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力值只與螺栓性能等級有關(guān)，當(dāng)采用進(jìn)口高強(qiáng)度大六角頭螺栓或扭剪型高強(qiáng)度螺栓時，預(yù)拉力P值應(yīng)有可靠依據(jù)——所以需風(fēng)機(jī)廠家提供其取值依據(jù)。

實際工程中可能會用到國外進(jìn)口螺栓與國內(nèi)生產(chǎn)的螺栓，故規(guī)范中不便明確給出預(yù)拉力設(shè)計值，應(yīng)根據(jù)螺栓產(chǎn)地在試驗時具體適用，在實際工程中廠家如果沒有給出預(yù)緊力值，建議進(jìn)口螺栓進(jìn)行力矩系數(shù)試驗時應(yīng)采用歐標(biāo)預(yù)拉力取值系數(shù) 0.7來換算。

大六角頭高強(qiáng)螺栓的連接規(guī)范中明確其為摩擦型連接，NB/T 31082-2016規(guī)范中未規(guī)定抗滑移摩擦系數(shù)試驗要求，但磨擦型連接的原理就是靠被連接件間頂緊產(chǎn)生的磨擦力抗載荷的，防滑系數(shù)是高強(qiáng)度螺栓連接的主要設(shè)計參數(shù)之一，直接影響構(gòu)件的承載力，同時被連接件之間的涂層材料、接觸面精度均是影響磨擦力大小的因素，新規(guī)范中應(yīng)增補(bǔ)此漏檢項，要求風(fēng)機(jī)廠家提供被連接法蘭面工藝要求及抗滑移設(shè)計的磨擦系數(shù)值，測得抗滑移系數(shù)最小值應(yīng)符合設(shè)計要求。

2）NB/T 31082規(guī)范是風(fēng)機(jī)塔架用高強(qiáng)螺栓，實際工程中在風(fēng)機(jī)機(jī)艙、輪轂、葉片之間連接一般會用到雙頭對拉螺栓，此類螺栓在 NB/T 31082-2016規(guī)范中并沒有提出具體復(fù)驗要求，其實這種螺栓連接性質(zhì)是承壓型連接，應(yīng)參照 GB/T 3632來復(fù)驗其在給定的施工扭矩下螺栓預(yù)緊力值是否合格，在規(guī)定取值范圍內(nèi)。

2.2 力矩系數(shù)試驗必要性及施工力矩確定

高強(qiáng)螺栓主要是靠拉伸螺栓達(dá)設(shè)計時或規(guī)范中規(guī)定的預(yù)緊力（通過緊固高強(qiáng)螺栓連接副而在螺栓的桿軸方向產(chǎn)生的且符合連接設(shè)計要求的拉力）來確保連接的可靠性的，預(yù)緊的主要目的就是提高構(gòu)件連接后的防松馳能力，增強(qiáng)連接的緊密性和耐久性。但是若超過螺栓設(shè)計的緊固軸力造成過扭或控制不當(dāng)造成欠扭，將會導(dǎo)致連接的失敗，因此確定螺栓的預(yù)緊力是首要的。

而預(yù)緊力（緊固軸力）的實現(xiàn)就是通過施工時給予螺栓施加施工扭矩來達(dá)到的，施工扭矩的確定是通過扭矩試驗得到的系數(shù)來確認(rèn)的。即通過試驗測得扭矩系數(shù)（施加于螺母上的緊固扭矩與其在螺栓導(dǎo)入的緊固軸力之間的比例系數(shù)）后先判斷是否在規(guī)范允許范圍內(nèi)，然后根據(jù)系數(shù)的平均值與施工預(yù)緊力值計算得出施工力矩。

施工預(yù)緊力P須取設(shè)計預(yù)緊力P0的1.1倍，因為高強(qiáng)螺栓在擰緊后會產(chǎn)生預(yù)拉力損失，為保證高強(qiáng)螺栓及連接副在使用期間達(dá)到設(shè)計預(yù)拉力，施加力矩擰緊時必須考慮此應(yīng)力損失，故施工預(yù)拉力規(guī)定要比設(shè)計預(yù)拉力提高10 %方可。

由于緊固軸力（預(yù)拉力）是影響高強(qiáng)度螺栓連接質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素，也是施工的重要參考依據(jù)，因此要求生產(chǎn)廠家在出廠前必須提供其檢驗數(shù)值或提供其采用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)便于復(fù)驗時用來推算其預(yù)緊力，安裝單位應(yīng)在使用前及產(chǎn)品質(zhì)量保證期內(nèi)及時復(fù)驗——即復(fù)驗其出廠扭矩系數(shù)試驗結(jié)果是否與復(fù)驗結(jié)果一致，因為高強(qiáng)螺栓連接副制造廠是按批保證扭矩系數(shù)或緊固軸力的，所以在使用時應(yīng)提供出廠扭矩系數(shù)并在同批內(nèi)配套使用。超過六個月保證期的高強(qiáng)螺栓考慮到由于存放的環(huán)境、氣候、溫度、濕度的變化會使其性能發(fā)生一些變化，也應(yīng)重新復(fù)驗其扭矩系數(shù)。

3 實際工程中的現(xiàn)狀及建議

大六角頭高強(qiáng)螺栓在風(fēng)機(jī)安裝中主要用在上中下三節(jié)塔筒之間的連接部位，通過扭矩扳手緊固。現(xiàn)實中廠家的大六角頭螺栓只提供了施工扭矩值，施工中廠家要求達(dá)到其規(guī)定的施工扭矩值即合格。那么是否按廠家要求進(jìn)行安裝達(dá)到其要求的施工扭矩即合格呢？其施工扭矩的準(zhǔn)確性是否需驗證呢？我認(rèn)為應(yīng)分步驗證并根據(jù)試驗結(jié)果適時調(diào)整施工扭矩。

第一步，廠家必須告之螺栓設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，便于確定預(yù)拉力值的計算適用規(guī)范（國內(nèi)或國外規(guī)范預(yù)拉力換算系數(shù)），然后根據(jù)推算出的預(yù)拉力值（范圍為設(shè)計預(yù)拉力值～過扭預(yù)拉力值之間，一般過扭預(yù)拉力值為設(shè)計預(yù)拉力值的1.2倍）測定扭矩系數(shù)，判斷扭矩系數(shù)是否符合NB/T 31082-2016規(guī)范要求的范圍值。扭矩系數(shù)的平均試驗K值應(yīng)符合下列要求：非電解鋅片涂層（達(dá)克羅）O.11≤K≤O.15，標(biāo)準(zhǔn)偏差S≤0.01；熱浸鍍鋅涂層 O.1≤K≤O.23，變異系數(shù)V≤0.10。實際工程中風(fēng)機(jī)廠家自行設(shè)計了扭矩保證系數(shù)以保障施工力矩不出現(xiàn)超打現(xiàn)象從而控制螺栓受力在屈服強(qiáng)度允許值之內(nèi)，提高螺栓的使用壽命，不一定與此規(guī)范規(guī)定值一致。但若以下的第二步第三步符合，應(yīng)予以確認(rèn)符合要求。因為規(guī)范規(guī)定高強(qiáng)螺栓連接副制造廠是按批保證扭矩系數(shù)或緊固軸力的，在使用時提供出廠扭矩系數(shù)并在同批內(nèi)配套使用即可。

第二步，查看測定結(jié)果與出廠檢測的扭矩系數(shù)平均值是否一致，判斷廠家給出的施工扭矩是否正確。復(fù)驗結(jié)果不一致可能導(dǎo)致過扭矩或欠扭。比如出廠保證扭矩系數(shù)及出廠試驗報告給出的是0.11，復(fù)驗是 0.15，那么 0.15符合規(guī)范規(guī)定的O.11≤K≤O.15范圍內(nèi)，此時安裝單位應(yīng)據(jù)此試驗扭矩系數(shù)調(diào)整施工力矩。此時如仍用廠家給定的施工扭矩安裝（取0.11推算的施工扭矩）則會造成欠扭。出廠與復(fù)驗不一致的原因有可能是螺栓在保存運(yùn)輸過程中的螺紋損傷、環(huán)境溫度變化或表面涂層破壞等使扭矩變化。

第三步，查看廠家給定的施工扭矩是否正確：如上海電氣 M48進(jìn)口高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力設(shè)計值計算（采用歐標(biāo)）：P=0.7×Rm×As/1 000，即為 0.7×1 000×1 470/1 000=1 029 kN，則試驗過程如下：先施加試驗力矩使螺栓緊固到其預(yù)緊力范圍內(nèi)（1 029～1 255 kN）時停止加載，此時同時測得試驗力矩與預(yù)緊力值，根據(jù)2.2條的公式推算出扭矩系數(shù)。施工時根據(jù)測得的扭矩系數(shù)平均值乘以預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)值（取設(shè)計預(yù)緊力的 1.1倍即 1 029 kN×1.1=1 132 kN）乘以螺栓公稱直徑得出施工扭矩值。現(xiàn)在廠家給定施工扭矩為65 000 N·m，可以上述計算過程判斷其給定的扭矩值的正確性，如不符合可讓廠家提出合理解釋。

歐標(biāo)EN 14399中給出了兩種試驗方法：一種是上述的扭矩系數(shù)試驗法（先根據(jù)上述預(yù)緊力公式推算出預(yù)緊力然后得出試驗扭矩系數(shù)再設(shè)置施工扭矩值）；另一種為定扭矩試驗法（相對于國標(biāo)GB/T 3632），即通過給定的既定施工扭矩測試得出預(yù)緊力值，根據(jù)試驗得出的預(yù)緊力值判斷其是否在規(guī)范的預(yù)緊力范圍內(nèi)（此預(yù)緊力范圍為根據(jù)上述預(yù)緊力公式推算出的預(yù)緊力值范圍的 0.9～1.1倍之間）。

由于實際工作中廠家都是給定了施工扭矩值，相當(dāng)于設(shè)計己明確了施工扭矩要求，所以按照“定扭矩試驗法”測試預(yù)緊力是否符合規(guī)范要求更便捷準(zhǔn)確。但目前為了適應(yīng)國內(nèi)規(guī)范的要求建議仍應(yīng)按第一種方法測試扭矩系數(shù)。兩種方法原理是一致的，都是為了確定終擰后螺栓預(yù)緊力是否能達(dá)到或達(dá)到相應(yīng)規(guī)范要求。

4 關(guān)于施工超扭矩驗收的探究

過高的預(yù)緊力將會導(dǎo)致連接失敗甚至螺栓斷裂，過扭是風(fēng)電安裝工程中易發(fā)生的問題。過扭是指超過預(yù)拉力的設(shè)計安全保證系數(shù)，即超過高強(qiáng)螺栓屈服強(qiáng)度的90 %或是設(shè)計預(yù)緊力的1.2倍。其可能造成高強(qiáng)螺栓屈服強(qiáng)度，螺紋間距變大、螺牙發(fā)生塑性變形造成連接失敗的情況。其實規(guī)范己在力矩驗收的規(guī)定中載明了欠扭與過扭矩的要求，多數(shù)人仍未理解。

正常情況下扳手扭矩值設(shè)定正確后不會發(fā)生過欠扭與過扭矩現(xiàn)象，但在風(fēng)電工程實際施工中多用液壓扳手，由于疲勞或誤操作會發(fā)生設(shè)定值錯誤出現(xiàn)偏差的可能，所以GB 50205規(guī)范規(guī)定了驗收扭矩應(yīng)在施工扭矩的 0.9～1.1倍之間。如何理解這個范圍值呢？

高強(qiáng)螺栓設(shè)計預(yù)拉力值可理解為最小預(yù)拉力值即通過上述2.1節(jié)中的公式推算而來；設(shè)計預(yù)拉力標(biāo)準(zhǔn)值為設(shè)計預(yù)拉力值×10 %（計算施工扭矩用）；設(shè)計預(yù)拉力最大值即過扭值為設(shè)計預(yù)拉力標(biāo)準(zhǔn)值×1.1倍或為設(shè)計預(yù)拉力最小值×1.2倍。

施工扭矩是考慮設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)預(yù)拉力值 10 %損失值（安全系數(shù)）的扭矩值，須施加設(shè)計預(yù)力值 1.1倍的施工扭矩后螺栓的預(yù)緊力方才是設(shè)計及規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)值，此時施加的檢查扭矩若低于其 0.9倍時（設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值的0.9倍）即為欠扭，因為設(shè)計是根據(jù)預(yù)拉力設(shè)計值來配置螺栓數(shù)量的，欠扭會造成設(shè)計抗截荷失效。超過1.1倍時（設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值的1.1倍）即判定為過扭矩，此時超過了螺栓的屈服強(qiáng)度造成塑性變形連接失效。

力矩超打造成過扭矩還可以通過抽檢對比螺紋差異的方法判定：用《螺紋樣板》（JB/T 7981）的普通螺紋樣板進(jìn)行螺距測量，螺距測量應(yīng)對螺栓受力區(qū)域和無載荷區(qū)域（或載荷較小區(qū)域）的螺距進(jìn)行比較，見圖 2，相比無截荷區(qū)域螺距增大0.05 mm的螺栓不得使用。抽檢中發(fā)現(xiàn)與螺母的擰合區(qū)域的螺牙發(fā)生傾倒變形，螺栓螺母均須需更換。

圖2 螺栓受力區(qū)域示意

既然規(guī)定不超過設(shè)計預(yù)拉力最大值（設(shè)計預(yù)拉 力標(biāo)準(zhǔn)值的1.1倍）仍為合格則可以變通驗收方法，工程實踐中驗收時可不再采用退扭法檢查施工扭矩，直接分步施加扭矩（施工扭矩的1.1倍內(nèi)）檢查：在高強(qiáng)螺栓安裝后 48小時內(nèi)驗收，第一次加施工扭矩的1.05倍，如螺母轉(zhuǎn)動則合格此時終擰扭矩停在施工扭矩的1.05倍，如不動再施加扭矩值到1.1倍，如果達(dá)到1.1倍仍不轉(zhuǎn)動則判定為過扭矩。如果轉(zhuǎn)動則終止使扭矩停在施工扭矩的1.1倍仍然合格，因未超過設(shè)計預(yù)拉力標(biāo)準(zhǔn)值的1.1倍。此種檢查法即可以控制欠扭也可以快速判定過扭矩，不失為一種可靠快速的驗收方法。

5 結(jié) 語

風(fēng)機(jī)倒塔事故多發(fā)生于高強(qiáng)螺栓連接部位，每年帶來的安全風(fēng)險與經(jīng)濟(jì)損失不可估量。目前風(fēng)機(jī)安裝所用高強(qiáng)螺栓基本上均在 M30以上的超大規(guī)格高強(qiáng)螺栓，現(xiàn)有國內(nèi)規(guī)范己不能覆蓋，隨著風(fēng)電行業(yè)的大發(fā)展，高強(qiáng)螺栓的相關(guān)規(guī)范必將更加完善。本文在總結(jié)我多年從事施工和質(zhì)量管理的基礎(chǔ)上，查閱了國內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)并與同行業(yè)專家進(jìn)行了充分交流，對風(fēng)機(jī)安裝用高強(qiáng)螺栓扭矩的試驗、驗收環(huán)節(jié)進(jìn)行了一些探究與總結(jié)，為今后行業(yè)規(guī)范的修訂完善及風(fēng)電工程質(zhì)量控制提供一點寶貴的借鑒經(jīng)驗。