韋 冬，李 東

（1.天津中北港灣工程建設監(jiān)理有限公司，天津 300222；2.西安益通熱工技術服務有限責任公司，陜西 710001）

引 言

風電行業(yè)為新興行業(yè)，各風機廠家更多的是關注風機產品本身質量，不注重高強螺栓的售后服務導致現(xiàn)場安裝與廠家設計部門脫節(jié)，安裝公司與制造廠均對高強螺栓連接這一重要質量控制點了解關注不夠。根據(jù)電力質檢站對各處風電工程檢查的通報中常有高強螺栓進場復驗缺項，尤其缺少關鍵的扭矩系數(shù)或預緊力值檢測報告。

目前國內關于風機安裝用超大規(guī)格高強螺栓的相關規(guī)范不夠完善，在復驗與驗收環(huán)節(jié)存在爭議較多，希望通過本文能引起國內風機廠家設計與安裝單位的重視，為后續(xù)風電工程風機安裝中的高強螺栓施工環(huán)節(jié)的質控提供有益的借鑒指導。

1 高強螺栓連接方式及原理

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

高強螺栓連接類型分為承壓型與摩擦型兩種，大六角高強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螺栓連接副型式的區(qū)別

高強螺栓安裝施工是通過扭矩扳手或張拉器給螺栓桿施加預拉力使連接構件夾緊，從使連接的整體性和耐久性達到設計要求。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緊力使構件間產生的摩擦力作為承力狀態(tài)，即保證連接構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生接觸，此后連接就靠螺栓桿本身強度和孔壁強度以及板件間的存余摩擦力共同受力傳力，最后以桿軸應力松馳或孔壁破壞作為連接受力的極限狀態(tài)。

目前，風電安裝中通常采用高強螺栓采用大六角頭螺栓磨擦型連接。

2 現(xiàn)有規(guī)范試驗檢測標準析義及應用

目前國內涉及高強螺栓連接副復驗及施工的國標、行標主要有5部，其中NB/T 31082為能源局行業(yè)標準，是參照歐標EN 14399系列及國標系列專門為風機安裝編制的，應予以重視及采用。

2.1 NB 31082-2016規(guī)范的解讀

高強螺栓最小規(guī)格為 M12，常用 M16～M30，在GB/T 3632-2008、GB/T 1231-2006、JGJ 82-2011中均規(guī)定了此類常用高強螺栓的所有檢測項目和具體試驗所需數(shù)據(jù)。但風機用高強螺栓均為超大規(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的標準預拉力值（緊固軸力）供力矩試驗用。現(xiàn)有規(guī)范給出的高強螺栓預緊力范圍僅有M12～M30，見表1。

表1 一個高強螺栓的預拉力P /kN

其中 NB/T 31082-2016規(guī)范中雖然規(guī)定了M36～M64規(guī)格的高強螺栓連接副力矩試驗要求，但亦沒有給出試驗用標準預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鋼結構設計規(guī)范計算預拉力設計值公式為：P=0.9×0.9×0.9×fu×As/1.2（fu為最小抗拉強度），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)：施工時預拉力的松馳損失 0.9，材質的不定性系數(shù) 0.9，考慮用fu而不是fy作為標準值系數(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。故國內高強螺栓相關施工驗收規(guī)范中給出的高強螺栓預緊力數(shù)值表均是按 0.6075推算出來的。

目前歐標EN 14399規(guī)定預拉力值取0.7的抗拉強度與受力截面乘積，即P=0.7×Rm×As/1 000（Rm為螺栓公稱抗拉強度，As為公稱應力截面積）。國外規(guī)范取值一般是按照螺栓本身的強度設計的，只按材料分項系數(shù)和安全系數(shù)進行折減，高于我國的規(guī)范取值?！朵摻Y構高強度螺栓連接技術規(guī)程》中規(guī)定：高強螺栓預拉力值只與螺栓性能等級有關，當采用進口高強度大六角頭螺栓或扭剪型高強度螺栓時，預拉力P值應有可靠依據(jù)——所以需風機廠家提供其取值依據(jù)。

實際工程中可能會用到國外進口螺栓與國內生產的螺栓，故規(guī)范中不便明確給出預拉力設計值，應根據(jù)螺栓產地在試驗時具體適用，在實際工程中廠家如果沒有給出預緊力值，建議進口螺栓進行力矩系數(shù)試驗時應采用歐標預拉力取值系數(shù) 0.7來換算。

大六角頭高強螺栓的連接規(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生的磨擦力抗載荷的，防滑系數(shù)是高強度螺栓連接的主要設計參數(shù)之一，直接影響構件的承載力，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)范中應增補此漏檢項，要求風機廠家提供被連接法蘭面工藝要求及抗滑移設計的磨擦系數(shù)值，測得抗滑移系數(shù)最小值應符合設計要求。

2）NB/T 31082規(guī)范是風機塔架用高強螺栓，實際工程中在風機機艙、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驗要求，其實這種螺栓連接性質是承壓型連接，應參照 GB/T 3632來復驗其在給定的施工扭矩下螺栓預緊力值是否合格，在規(guī)定取值范圍內。

2.2 力矩系數(shù)試驗必要性及施工力矩確定

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

而預緊力（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，然后根據(jù)系數(shù)的平均值與施工預緊力值計算得出施工力矩。

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

由于緊固軸力（預拉力）是影響高強度螺栓連接質量是否達標的關鍵因素，也是施工的重要參考依據(jù)，因此要求生產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)范標準便于復驗時用來推算其預緊力，安裝單位應在使用前及產品質量保證期內及時復驗——即復驗其出廠扭矩系數(shù)試驗結果是否與復驗結果一致，因為高強螺栓連接副制造廠是按批保證扭矩系數(shù)或緊固軸力的，所以在使用時應提供出廠扭矩系數(shù)并在同批內配套使用。超過六個月保證期的高強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，也應重新復驗其扭矩系數(shù)。

3 實際工程中的現(xiàn)狀及建議

大六角頭高強螺栓在風機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?，F(xiàn)實中廠家的大六角頭螺栓只提供了施工扭矩值，施工中廠家要求達到其規(guī)定的施工扭矩值即合格。那么是否按廠家要求進行安裝達到其要求的施工扭矩即合格呢？其施工扭矩的準確性是否需驗證呢？我認為應分步驗證并根據(jù)試驗結果適時調整施工扭矩。

第一步，廠家必須告之螺栓設計標準，便于確定預拉力值的計算適用規(guī)范（國內或國外規(guī)范預拉力換算系數(shù)），然后根據(jù)推算出的預拉力值（范圍為設計預拉力值～過扭預拉力值之間，一般過扭預拉力值為設計預拉力值的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值應符合下列要求：非電解鋅片涂層（達克羅）O.11≤K≤O.15，標準偏差S≤0.01；熱浸鍍鋅涂層 O.1≤K≤O.23，變異系數(shù)V≤0.10。實際工程中風機廠家自行設計了扭矩保證系數(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度允許值之內，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，應予以確認符合要求。因為規(guī)范規(guī)定高強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)并在同批內配套使用即可。

第二步，查看測定結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。復驗結果不一致可能導致過扭矩或欠扭。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，此時安裝單位應據(jù)此試驗扭矩系數(shù)調整施工力矩。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。出廠與復驗不一致的原因有可能是螺栓在保存運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進口高強螺栓預緊力設計值計算（采用歐標）：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緊力范圍內（1 029～1 255 kN）時停止加載，此時同時測得試驗力矩與預緊力值，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)平均值乘以預緊力標準值（取設計預緊力的 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?，F(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)上述預緊力公式推算出預緊力然后得出試驗扭矩系數(shù)再設置施工扭矩值）；另一種為定扭矩試驗法（相對于國標GB/T 3632），即通過給定的既定施工扭矩測試得出預緊力值，根據(jù)試驗得出的預緊力值判斷其是否在規(guī)范的預緊力范圍內（此預緊力范圍為根據(jù)上述預緊力公式推算出的預緊力值范圍的 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，相當于設計己明確了施工扭矩要求，所以按照“定扭矩試驗法”測試預緊力是否符合規(guī)范要求更便捷準確。但目前為了適應國內規(guī)范的要求建議仍應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緊力是否能達到或達到相應規(guī)范要求。

4 關于施工超扭矩驗收的探究

過高的預緊力將會導致連接失敗甚至螺栓斷裂，過扭是風電安裝工程中易發(fā)生的問題。過扭是指超過預拉力的設計安全保證系數(shù)，即超過高強螺栓屈服強度的90 %或是設計預緊力的1.2倍。其可能造成高強螺栓屈服強度，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定正確后不會發(fā)生過欠扭與過扭矩現(xiàn)象，但在風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？

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

施工扭矩是考慮設計標準預拉力值 10 %損失值（安全系數(shù)）的扭矩值，須施加設計預力值 1.1倍的施工扭矩后螺栓的預緊力方才是設計及規(guī)范要求的標準值，此時施加的檢查扭矩若低于其 0.9倍時（設計標準值的0.9倍）即為欠扭，因為設計是根據(jù)預拉力設計值來配置螺栓數(shù)量的，欠扭會造成設計抗截荷失效。超過1.1倍時（設計標準值的1.1倍）即判定為過扭矩，此時超過了螺栓的屈服強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）的普通螺紋樣板進行螺距測量，螺距測量應對螺栓受力區(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)定不超過設計預拉力最大值（設計預拉 力標準值的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）檢查：在高強螺栓安裝后 48小時內驗收，第一次加施工扭矩的1.05倍，如螺母轉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，如果達到1.1倍仍不轉動則判定為過扭矩。如果轉動則終止使扭矩停在施工扭矩的1.1倍仍然合格，因未超過設計預拉力標準值的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 語

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