吳正樹(shù) 李守信 張利娜 李清燕 荀雪峰

（1. 中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司南寧局，南寧 530021； 2. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)南京線路器材有限公司，南京 211500）

0 引言

在超高壓輸電線路中常見(jiàn)到耐張線夾引流板因螺栓松脫而引起發(fā)熱的現(xiàn)象，耐張線夾樣圖如圖1所示，引流板螺栓松脫如圖2所示。螺栓松脫通常歸因于輸電導(dǎo)線長(zhǎng)時(shí)間的微風(fēng)振動(dòng)，但在實(shí)際檢修中發(fā)現(xiàn)，引流板螺栓存在施工不規(guī)范的問(wèn)題，有些螺栓松脫是因安裝扭矩不合適而造成的[1]。螺栓的 安裝扭矩在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工和汽車裝配中是一個(gè)重要的工藝指標(biāo)[2-3]，在輸電線路工程中則常常不被 重視。

圖1 耐張線夾樣圖

圖2 引流板螺栓松脫

本文通過(guò)對(duì)耐張線夾引流板螺栓扭矩進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)合螺栓扭矩-預(yù)緊力試驗(yàn)，對(duì)引流板螺栓的推薦扭矩值和擰緊工藝進(jìn)行研究。

1 螺栓扭矩的理論計(jì)算

超高壓輸電線路中，耐張線夾引流板的螺栓通常采用扭矩法進(jìn)行擰緊，扭矩和預(yù)緊力的關(guān)系為

式中：T為扭矩；K為扭矩系數(shù)；Ff為預(yù)緊力；d為螺栓公稱直徑。

1）預(yù)緊力Ff的確定

式中：As為螺栓公稱應(yīng)力截面積；δy為螺栓的屈服點(diǎn)。螺栓的預(yù)緊力設(shè)計(jì)值由式（2）計(jì)算，并取5kN的整數(shù)倍[4]。

2）扭矩系數(shù)K的確定

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)六角頭螺栓，螺栓的安裝扭矩需要克服螺紋間的摩擦阻力矩Ts和螺母與支撐面之間的摩擦阻力矩Tw，即

根據(jù)GB/T 16823.2中5.1條規(guī)定[5]，扭矩系數(shù)K為

式中：P為螺距；μs為螺紋摩擦系數(shù)；d2為螺紋中徑；α′為牙側(cè)角，普通三角螺紋的牙側(cè)角為30°；μw為支撐面摩擦系數(shù)；dw為接觸的支撐面外徑；dh為接觸的支撐面內(nèi)徑。

參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，K值主要取決于兩個(gè)摩擦系數(shù)μs和μw，六角頭螺栓的尺寸大小對(duì)K值的影響是很小的，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可參考表1推薦值[6]。

表1 扭矩系數(shù)K推薦值

以耐張線夾引流板使用的熱鍍鋅4.8級(jí)M12螺栓為例：螺栓表面鍍鋅無(wú)潤(rùn)滑時(shí)K取值0.22；考慮到安裝時(shí)螺栓易沾染電力脂，此時(shí)螺栓表面鍍鋅有潤(rùn)滑時(shí)K取值0.18；代入式（1），得出4.8級(jí)M12螺栓扭矩的理論計(jì)算值為38～46N·m。

2 螺栓扭矩-預(yù)緊力試驗(yàn)

因鋅層厚度、潤(rùn)滑條件、墊圈和溫度等多種因素的影響，熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)的離散性高于普通螺栓[7-9]。本節(jié)通過(guò)扭矩-預(yù)緊力試驗(yàn)，實(shí)測(cè)有潤(rùn)滑（涂凡士林）和無(wú)潤(rùn)滑的熱鍍鋅螺栓的扭矩系數(shù)，同時(shí)進(jìn)行螺栓的失效試驗(yàn)，并分析其失效過(guò)程。

2.1 試驗(yàn)方案

引流板搭接試件和螺栓頭部使用試驗(yàn)夾具固定，試驗(yàn)夾具應(yīng)能承受預(yù)緊力和扭矩的復(fù)合載荷，而不應(yīng)產(chǎn)生永久變形和位移。壓力傳感器置于螺母與鋁板之間，螺栓尾部應(yīng)伸出螺母端部至少有2～3扣[10]。試驗(yàn)設(shè)備清單見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備清單

試驗(yàn)時(shí)扳擰速度應(yīng)緩慢、均勻。擰緊力矩-預(yù)緊力試驗(yàn)布置如圖3所示。

圖3 擰緊力矩-預(yù)緊力試驗(yàn)布置

2.2 扭矩系數(shù)實(shí)測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，熱鍍鋅螺栓擰至40N·m時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的壓力值，代入式（1）即可計(jì)算出實(shí)際的扭矩系數(shù)K。

扭矩系數(shù)實(shí)測(cè)值見(jiàn)表3，螺栓有潤(rùn)滑時(shí)K值范 圍為0.13～0.18，無(wú)潤(rùn)滑時(shí)K值范圍為0.25～0.33，數(shù)據(jù)表明熱鍍鋅螺栓的扭矩系數(shù)分散性偏大，尤其是無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)，在鍍鋅質(zhì)量較差時(shí)，有預(yù)緊力偏低的可能性。

表3 扭矩系數(shù)K實(shí)測(cè)值

2.3 螺栓失效試驗(yàn)

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加扭矩直至螺栓連接失效。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有潤(rùn)滑和無(wú)潤(rùn)滑的失效過(guò)程及結(jié)果有明顯的不同。螺栓失效試驗(yàn)照片如圖4所示。

圖4 螺栓失效試驗(yàn)照片

有潤(rùn)滑時(shí)，當(dāng)超過(guò)屈服扭矩時(shí)，螺栓的變形發(fā)生在螺紋連接處，表現(xiàn)為螺牙受損甚至被磨平，最終發(fā)生滑牙，如圖4（a）所示。此時(shí)螺栓仍然可以使引流板保持機(jī)械連接，但從通流性能方面考慮，螺栓連接已失效。

無(wú)潤(rùn)滑時(shí)，當(dāng)超過(guò)屈服扭矩時(shí)，螺栓的變形發(fā)生在螺桿處，表現(xiàn)為螺桿受拉后出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，最終因螺桿斷裂而使連接失效，如圖4（b）所示。

在實(shí)際工程施工中，螺栓并不是擰得越緊越好，螺栓嚴(yán)重超擰時(shí)會(huì)導(dǎo)致螺栓受損，從而降低連接的可靠性。耐張線夾引流板的螺栓應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求施加合適的扭矩值，避免按經(jīng)驗(yàn)施工可能導(dǎo)致的超擰現(xiàn)象。

3 螺栓的推薦扭矩值

從產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面考慮，耐張線夾引流板的電阻隨著壓力的增加而減小，螺栓的預(yù)緊力越大，接觸電阻越小，通流性能越好。

但考慮到引流板的材質(zhì)為純鋁，其屈服強(qiáng)度低且蠕變率大。通常，施加在引流板上的最大緊固壓力大大超過(guò)了不產(chǎn)生蠕變的最大壓力，在運(yùn)行中引流板發(fā)生蠕變的壓力將逐漸下降并穩(wěn)定在一個(gè)不再進(jìn)一步蠕變的數(shù)值上。因純鋁蠕變速度與接觸面上的單位壓力有直接關(guān)系，過(guò)高的螺栓預(yù)緊力會(huì)加劇引流板的蠕變反應(yīng)，不利于引流板的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

綜合以上兩點(diǎn)，螺栓扭矩產(chǎn)生的壓應(yīng)力應(yīng)使引流板可靠連接，同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)明顯的蠕變反應(yīng)。

參照GB/T 50233《110～500kV架空送電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》及GB/T 50389《750kV架空送電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》，4.8級(jí)螺栓的緊固扭矩值不應(yīng)小于表4的規(guī)定，4.8級(jí)以上的螺栓緊固扭矩值由設(shè)計(jì)規(guī)定，若設(shè)計(jì)無(wú)規(guī)定，宜按4.8級(jí)螺栓的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

表4 鋼制螺栓的緊固扭矩值

4 螺栓扭矩值的驗(yàn)證試驗(yàn)

本試驗(yàn)以4.8級(jí)M12螺栓緊固的引流板為例進(jìn)行直流電阻和溫升試驗(yàn)，驗(yàn)證力矩值的合理性。因耐張引流板發(fā)熱試驗(yàn)主要關(guān)注的是引流板平板搭接位置，與耐張線夾管體、鋼錨部分關(guān)系不大，為減少工作量，本試驗(yàn)采用簡(jiǎn)易的引流線夾搭接型式進(jìn)行分析。

試驗(yàn)方法參考GB/T 2317.3《電力金具試驗(yàn)方法 第3部分：熱循環(huán)試驗(yàn)》的相關(guān)規(guī)定。螺栓擰緊力矩采用推薦力矩值40N·m。試驗(yàn)設(shè)備包括直流電阻測(cè)試儀、大電流溫升設(shè)備和溫度傳感器，試驗(yàn)照片如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)照片

溫升和電阻試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，各試件的溫升值均低于參考導(dǎo)線的溫升值，試件溫升前/后的電阻值均低于參考導(dǎo)線的電阻值，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 溫升和電阻試驗(yàn)結(jié)果

5 其他建議

結(jié)合超高壓輸電線路工程的實(shí)際情況，本文對(duì)耐張線夾引流板螺栓的擰緊工藝提出以下幾點(diǎn)建議：

1）螺栓規(guī)格

輸電線路工程中耐張線夾引流板螺栓優(yōu)選M16螺栓，但部分老舊線路中仍有少量4.8級(jí)M12螺栓。M12螺栓推薦扭矩40N·m，如安裝時(shí)不使用扭矩扳手則很容易擰至標(biāo)定值兩倍即80N·m左右，此情況下螺栓嚴(yán)重超擰會(huì)極大降低連接的可靠性。所以施工時(shí)需使用力矩扳手，并按螺栓規(guī)格施加合適的扭矩值。

2）摩擦系數(shù)

因熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)的離散性高于普通螺栓，同一工程的耐張線夾引流板螺栓應(yīng)采用同廠家同批次的產(chǎn)品，并在安裝前空擰幾次，確保螺紋部分無(wú)影響摩擦系數(shù)的毛刺或污物，保證安裝質(zhì)量的一致性。

3）螺栓墊圈

耐張線夾引流板螺栓應(yīng)配合加厚大墊圈使用。加厚大墊圈可以改善平板的受力情況，避免墊圈下的鋁板出現(xiàn)壓痕。

4）擰緊速度

扭矩扳手的擰緊速度對(duì)摩擦系數(shù)影響較大[11]，考慮到靜摩擦因數(shù)通常略大于動(dòng)摩擦因數(shù)，在施加扭矩時(shí)，扭矩扳手的扳擰速度應(yīng)均勻，到達(dá)設(shè)定扭矩值附近時(shí)必須放緩動(dòng)作，聽(tīng)到提示音后立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，以免過(guò)擰。對(duì)于四個(gè)及以上螺栓的引流板，螺栓組應(yīng)交叉復(fù)擰。

5）螺栓換新

線路檢修時(shí)，對(duì)于引流板螺栓出現(xiàn)松動(dòng)變形或性能欠佳的情況，建議螺栓、螺母和墊圈全套換新后重新擰緊。

6 結(jié)論

本文通過(guò)理論和試驗(yàn)分析，對(duì)耐張線夾引流板螺栓的扭矩-預(yù)緊力和失效過(guò)程進(jìn)行了研究，給出了推薦力矩值，并通過(guò)引流板溫升試驗(yàn)驗(yàn)證了推薦力矩值的合理性。通過(guò)優(yōu)化耐張線夾引流板螺栓的擰緊工藝，可提高引流板螺栓連接件的可靠性和導(dǎo)流性，從根本上解決引流板發(fā)熱問(wèn)題，對(duì)超高壓輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。