高溫小規格螺栓擰緊力矩研究

倪劍， 周勇， 錢勇

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

0 前言

汽輪機屬于高溫運行設備， 汽輪機汽缸、 汽封體、 閥門等高溫部件的密封[1]都離不開螺栓， 而在冷態安裝時都需要對這些螺栓進行預緊， 以保證這些高溫部件的密封面在熱態時產生足夠的密封應力， 避免出現漏汽情況。 螺栓預緊的軸向力通常通過控制擰緊力矩法或轉角法來實現[2]，公司對于M56 及以上的米制螺栓和2-8UN 及以上的美制螺栓都設計了加熱孔， 這些螺栓在冷態安裝時需要進行螺栓熱緊[3]， 而熱緊應力則通過螺栓伸長量和螺母旋轉角度控制， 對于M56 及2-8UN 以下規格螺栓則根據實際情況進行擰緊力矩控制。

常規火電汽輪機絕大部分時間都處于額定負荷工況， 極少出現部分負荷， 并且生命周期內啟停次數較少， 而類似光熱汽輪機或空氣透平等機組因為特殊的能量來源和工作特性而需要頻繁啟停以及非常多的部分負荷工況， 部分負荷工況會使螺栓工作環境溫度上升， 頻繁啟停對螺栓的疲勞壽命考驗巨大。 常見的小螺栓擰緊力矩推薦值一般只適應冷態的工作環境， 而工作環境為高溫的螺栓則不適應。 如果通過擰緊力矩法獲得的冷緊擰緊力矩值較小， 則會造成漏汽， 影響機組的安全性或經濟性， 如果擰緊力矩值較大， 螺栓在工作時承受較大內應力， 嚙合的螺紋產生屈服，長時間頻繁啟停會造成螺栓產生裂紋從而斷裂[4]，這將給機組帶來極大的安全隱患， 故研究高溫的小螺栓擰緊力矩是否合理則顯得格外重要。

1 螺栓受力分析

本次分析的螺栓選擇規格為M20×75， 材質為25Cr2MoVA-5/685 的國標螺栓， M20 的螺栓屬于汽輪機汽封體上常使用的螺栓規格， 材質25Cr2MoVA 可使用的溫度高達510 ℃， 螺母材質為 35CrMoA-5/590， 35CrMoA 使用溫度達 510 ℃，法蘭材質為 ZG15Cr1Mo1-1+7/345， ZG15Cr1Mo1使用溫度可達540 ℃。 此次分析僅考慮螺栓擰緊后的一次應力以及螺栓在高溫預緊狀態下的二次應力， 不考慮密封體內外面壓差等原因產生的其他應力， 螺栓擰緊后狀態見圖1。

圖1 螺栓安裝狀態圖

1.1 理論公式分析

螺紋連接中的擰緊力矩由螺紋螺旋副摩擦阻力矩和支撐面摩擦阻力矩組成[5]，見式（1~2）。

式中： T1為螺紋螺旋副摩擦阻力矩； T2為支撐面摩擦阻力矩； FQ為螺紋連接軸向預緊力； d2為螺栓中徑； λ 為螺紋螺旋升角； μt為螺紋摩擦系數；β 為螺紋牙型半角； μs為支撐面摩擦系數； dw為螺母支撐面外徑； d0為螺母支撐面內徑。

整理式（1~2）可得：

公司螺栓在擰緊時均會涂抹防咬合劑， 根據相關試驗數據 μt取 0.10， μs取 0.12[1]，λ 值取 2.48°，β 值取 30°。

對于強度685 MPa 的M20 螺栓， 公司標準推薦擰緊力矩值為280~340 N·m， dw值取32 mm，d0值取 22 mm， 通過計算 FQ值為90.7~110.2 kN，由此可知冷緊狀態下螺栓最小截面應力σ 為386~469 MPa。

1.2 有限元分析

建立螺栓、 螺母、 法蘭的三維模型， 由于螺栓冷態擰緊后受力狀態和熱態工作時應力狀態以及材料的特性差異較大， 故分兩步進行分析計算。

（1）對模型施加邊界條件

接觸： 螺母和螺栓螺紋之間、 螺栓和汽封體螺紋之間、 螺母和汽封體、 汽封體上下半間分別定義接觸， 見圖 2（a）；

約束： 螺栓端面施加約束， 見圖 2（b）；

載荷： 載荷分兩步施加， 第一步對螺栓施加預緊力， 預緊力為1.1 節中FQ值， 取最大110.2 kN， 見圖 2（c）， 同時為了進行螺栓小力矩受力情況的對比， 取擰緊力矩值為200 N·m 對應的FQ值64.8 kN 同時計算， 第二步對螺栓、 汽封體、 螺母施加溫度場， 由于試驗用汽封體及螺栓體積較小，故可認為其溫度場均勻且為 500 ℃， 見圖 2

圖2 邊界條件

（2）對模型進行計算

計算結果見圖 3~4， 從圖 3（a）、 圖 4（a）可以看出力矩為340 N·m 和200 N·m 的螺栓冷態時應力最大點均位于靠近螺栓中部的上下螺紋處， 340 N·m 擰緊力矩對應螺栓最大等效應力值為569.9 MPa， 200 N·m 擰緊力矩對應螺栓最大等效應力值為 565.9 MPa， 而從圖 3（b）、圖 4（b）可以看出冷態時340 N·m 擰緊力矩對應的螺栓部分螺紋出現最大1.5‰的塑性變形[6]，而200 N·m 擰緊力矩對應的螺栓則未出現明顯塑性變形， 僅0.017‰。 當2 種螺栓分別施加相應溫度場后， 大力矩的螺栓屈服面積迅速擴大， 局部出現最大1%的明顯塑性變形， 而小力矩的螺栓只出現最大0.85‰的塑性變形， 預緊力和溫度場加載過程中2 組螺栓的應力和塑性變形曲線見圖5。

圖3 340 N·m 螺栓應力應變圖

2 試驗方案及試驗結果分析

為了和有限元進行對比， 本次試驗采取兩組試驗件， 分別按 340 N·m 和 200 N·m 的擰緊力矩值對其預裝配擰緊， 然后放進電加熱爐進行高溫試驗， 冷卻后再進行拆卸檢驗分析。

2.1 預裝配

試驗采取兩組大小一樣的試驗件， 試驗步驟如下：

（1）分別給兩組螺栓施加50 N·m 的初始力矩，消除汽封體中分面間隙（0.03 mm 不入）；

（2）1# 螺栓按 340 N·m 的力矩擰緊， 2# 螺栓按200 N·m 的力矩擰緊。

2.2 高溫試驗

進行2 組法蘭螺栓試驗組件高溫試驗[7]， 每組試驗組件含： 1 件M20 螺栓， 材質25Cr2MoVA-5/685， 1 件 M20 罩螺母， 材質為 35CrMoA-5/590、1 件通孔法蘭試樣、 1 件通螺紋法蘭試樣， 法蘭材質為ZG15Cr1Mo1-1+7/345。

試驗方法： 采用普通爐進行試驗， 室溫裝爐，60 min 升溫至要求的保溫溫度 （500 ℃）， 保溫60 min 后采用2~3 bar 氮氣進行冷卻至100 ℃或以下。

2.3 試驗結果分析

試驗后試件見圖6， 在螺栓拆除過程中， 發現1#試驗件的罩螺母已經和螺栓咬死， 應該是螺紋連接部分產生較大變形， 導致螺紋旋轉失效， 最后通過機械加工的方式去除罩螺母， 并嚴格控制不傷及螺栓， 而2#試驗件則沒有類似情況。 兩組試驗件將法蘭試樣拆卸后， 發現1#螺栓與法蘭試樣連接的螺紋有部分螺牙損壞， 對2 組螺栓表面氧化皮清理后分別進行MT 及PT 探傷， 其中1#螺栓MT 探傷后螺牙根部存在約5 mm 線性顯示，判斷為小裂紋[8]， PT 探傷無缺陷，2#螺栓MT 及PT探傷均無超標缺陷， 見圖7。

圖6 高溫試驗后法蘭螺栓試驗組件

圖7 螺栓無損探傷

通過試驗可以看出， 擰緊力矩為340 N·m 的螺栓螺牙部分已經出現破壞， 其中和法蘭連接部分螺紋出現線性裂紋， 而和罩螺母連接部分因為變形較大出現螺紋咬死情況， 說明過大的擰緊力矩在高溫狀態下對螺紋產生不可逆的破壞， 而力矩為200 N·m 的螺栓則基本完好， 說明200 N·m的擰緊力矩是保持螺栓不被破壞較合適的值， 這個結果則和有限元計算能較好吻合。

大力矩擰緊的螺栓在冷態時雖然未出現明顯的塑性變形， 但是在高溫狀態下， 其屈服強度迅速從588 MPa 降至409 MPa， 螺栓內部應力雖然沒有太大變化， 但是卻遠遠超過了材料的屈服強度， 從試驗結果可以看出其對螺栓已經造成一定損傷， 而小力矩擰緊的螺栓在冷態時應力值則較小， 在高溫環境下也未產生明顯的塑性變形， 從試驗結果可以看出其并未對螺栓造成損傷。

3 結語

通過上述有限元分析和試驗驗證結果可以看出， 工作環境為高溫的小規格螺栓其擰緊力矩不能采用工作環境為冷態的推薦擰緊力矩值， 對于實際工程中仍采用經驗方法安裝的高溫小螺栓，由于大部分螺栓在選材時留有較大的安全余量，其螺栓材料實際的耐受溫度往往遠高于實際使用溫度， 故并未出現大范圍螺栓斷裂情況， 但是部分螺栓仍出現了斷裂以及檢修時發現螺紋咬死的情況， 對于選材溫度接近實際使用溫度的螺栓其安全性將無法得到保障， 故必須通過計算重新評估其適合的擰緊力矩值， 才能防止螺栓被破壞，進而保證設備的安全性。 特別對于光熱汽輪機[9]、儲能式空氣透平等需要頻繁啟停的機組， 其長期冷熱交替的工作環境將對螺栓造成額外損傷， 具體損傷還需進一步研究。 本文研究的內容還未考慮汽封體本身密封反力造成的螺栓應力加成以及螺栓在高溫時的蠕變[10]情況， 雖然本次試驗件保溫時間只有1 h， 但是理論上螺栓已經產生了蠕變，其對試驗結果的影響還需進一步研究。