汪志旭

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司 上海 200233

1 分析背景

螺栓連接指通過(guò)螺栓、墊片及螺母等緊固件把工件連接成為一個(gè)整體。螺栓連接較之焊接、鉚接或膠接等連接方式,優(yōu)點(diǎn)是施工工藝簡(jiǎn)單、安裝方便、可拆換,適用于工地安裝、需要裝拆結(jié)構(gòu)和臨時(shí)性連接的場(chǎng)合。螺栓從材料上分有普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓,高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度等級(jí)在8.8級(jí)以上。高強(qiáng)度螺栓在連接中靠摩擦力來(lái)傳遞載荷,具有應(yīng)力集中小、剛性好、應(yīng)力分布比較均勻、承載力大等優(yōu)點(diǎn),目前在鋼結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用。

高強(qiáng)度螺栓的連接原理如下:在螺栓擰緊時(shí),給螺栓施加很大的預(yù)拉力,使連接件之間產(chǎn)生擠壓力,由此在連接件接觸面間有很大的摩擦力,依靠接觸面上產(chǎn)生的摩擦力阻止連接件間的相對(duì)滑移,以達(dá)到傳遞外力的目的。在施工過(guò)程中,保持摩擦因數(shù)和扭矩因數(shù)的穩(wěn)定性,以及準(zhǔn)確控制螺栓的緊固程度,是保證高強(qiáng)度螺栓安裝質(zhì)量的關(guān)鍵。螺栓超擰,容易引起螺栓斷裂、螺栓或螺母出現(xiàn)裂紋等缺陷。欠擰,會(huì)降低節(jié)點(diǎn)的抗滑能力,使結(jié)構(gòu)易發(fā)生變形。

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到47 240 MW,保持世界第一,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部件之間的連接廣泛采用高強(qiáng)度螺栓連接,如WG5.55-172風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,葉片與風(fēng)輪變槳軸承采用M36_10.9雙頭螺柱連接,變槳軸承與輪轂本體采用M42_10.9螺柱連接,輪轂與主軸采用M48_10.9雙頭螺柱連接,前后機(jī)架采用M42_10.9雙頭螺柱連接,偏航齒圈采用M36_10.9雙頭螺柱連接,驅(qū)動(dòng)鏈軸承座與前機(jī)架采用M64_10.9雙頭螺柱連接,后機(jī)架的本體采用M42_10.9六角頭螺栓連接,變壓器與后機(jī)架采用M30_10.9六角頭螺栓連接等。高強(qiáng)度螺栓在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部件實(shí)際裝配過(guò)程中,出現(xiàn)多起雙頭螺柱卡滯現(xiàn)象。螺柱卡滯不嚴(yán)重時(shí)的處理方法是用雙螺母緊固,銅棒振動(dòng)螺桿,由加長(zhǎng)扳手或大扭矩液壓扳手反向擰松,取出螺桿。嚴(yán)重卡滯時(shí),需要采用焊接工藝搭塊或鉆銑床加工等破壞性方式來(lái)拆除卡滯的螺桿。針對(duì)一些精加工的高碳鋼傳動(dòng)部件,為避免應(yīng)力集中,不允許采用補(bǔ)焊螺堵頭等修復(fù)措施,只能報(bào)廢新購(gòu),由此會(huì)造成工期延誤和較大經(jīng)濟(jì)損失。為了解決螺栓卡滯現(xiàn)象,保證擰緊力矩,避免返工浪費(fèi)或經(jīng)濟(jì)損失,筆者分析卡滯產(chǎn)生的原因,提出解決方案和技術(shù)要求。

2 高強(qiáng)度螺栓卡滯問(wèn)題及解決

2.1 卡滯分析

從人、機(jī)、料、法、環(huán)等五要素分析實(shí)際問(wèn)題。

(1) 人。倉(cāng)庫(kù)備料拆包裝后無(wú)防護(hù)措施,導(dǎo)致螺桿螺紋互相磕碰。操作員工預(yù)裝時(shí)采用大力矩電動(dòng)扳手緊固螺桿,導(dǎo)致螺紋擠傷。技能不熟練,螺桿擰入時(shí)未保證垂直。

(2) 機(jī)。加工螺紋的機(jī)床精度差,螺孔尺寸超差,垂直度差,螺距不合格等。

(3) 料。轉(zhuǎn)運(yùn)的料盒保護(hù)不到位,運(yùn)輸顛簸導(dǎo)致螺紋損壞。螺紋孔或螺桿質(zhì)量不合格。

(4) 法。未規(guī)定螺紋孔檢驗(yàn)方法,如大螺紋因量具昂貴,加工后未采用專用的通止規(guī)檢驗(yàn)。安裝工藝未規(guī)定預(yù)裝力矩、擰緊工具或緊固順序,導(dǎo)致螺紋預(yù)緊固時(shí)力矩過(guò)大。

(5) 環(huán)。存儲(chǔ)環(huán)境溫濕度超差,導(dǎo)致螺紋銹蝕,螺牙損壞。環(huán)境清潔度差,有鐵屑或金屬顆粒物粉塵,清潔不到位有異物。

螺紋損壞魚骨圖如圖1所示,螺紋損壞末端原因分析如圖2所示。

圖1 螺紋損壞魚骨圖

圖2 螺紋損壞末端原因分析

2.2 要因確認(rèn)

從人、機(jī)、料、法、環(huán)等五要素進(jìn)行要因確認(rèn)。

(1) 人。倉(cāng)庫(kù)配料員拆除螺栓包裝,在轉(zhuǎn)運(yùn)托盤內(nèi)疊加放置,螺紋接觸面每層之間無(wú)防護(hù),存在相互碰擦的現(xiàn)象。

(2) 機(jī)。在庫(kù)房轉(zhuǎn)運(yùn)至裝配線過(guò)程中,車輛運(yùn)輸顛簸振動(dòng)螺栓相互磨擦,螺紋產(chǎn)生碰傷。

(3) 料。對(duì)來(lái)料的螺桿或螺紋孔目視檢查,存在加工缺陷,機(jī)床加工的刀具磨損未及時(shí)更換。螺桿用直線度工裝進(jìn)行檢驗(yàn),長(zhǎng)螺桿直線度超差。

(4) 法。螺栓和螺紋孔入庫(kù)檢驗(yàn)時(shí),工廠未配備止通規(guī)量具,無(wú)定性檢測(cè)手段。

(5) 環(huán)。環(huán)境潮濕,粉塵污染。

要因矩陣確認(rèn)表見(jiàn)表1。

表1 要因矩陣確認(rèn)表

2.3 問(wèn)題解決

從人、機(jī)、料、法、環(huán)等五要素進(jìn)行問(wèn)題解決。

(1) 人。進(jìn)行緊固件轉(zhuǎn)運(yùn)方式培訓(xùn),對(duì)拆除包裝后緊固件轉(zhuǎn)運(yùn),在轉(zhuǎn)運(yùn)托盤底部及螺栓每層之間加墊薄紙板,預(yù)防螺栓的磕碰。采用減振運(yùn)輸車,減少螺紋間的相互碰撞。培訓(xùn)螺栓裝配技巧,保證安裝力矩和垂直度。

(2) 機(jī)。機(jī)床加工精度滿足要求,增加相應(yīng)的刀具配置,刀具磨損及時(shí)更換。螺紋底孔滿足要求,加工后螺紋采用規(guī)定的止通規(guī)檢驗(yàn)。長(zhǎng)螺栓要求增加直線度檢查。針對(duì)表面涂層,要增加專用檢測(cè)儀進(jìn)行檢驗(yàn)。

(3) 料。每批高強(qiáng)度螺栓應(yīng)具有制造廠提供的質(zhì)量合格證明。包裝應(yīng)符合要求,螺栓、螺母、墊圈應(yīng)屬于同一批號(hào)。工程設(shè)計(jì)統(tǒng)一選用標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)件,能夠保證同系列產(chǎn)品的一致性,減少物料種類。

(4) 法。用止通規(guī)檢查螺孔加工質(zhì)量。若有飛邊、毛刺、棱角等缺陷,采用砂輪機(jī)或絲錐清理,并用毛刷或磁吸工具清理干凈孔內(nèi)鐵屑。若有浮銹,需用鋼絲刷清除干凈。

(5) 環(huán)。環(huán)境干燥,濕度應(yīng)小于50%。保證環(huán)境清潔,避免粉塵或金屬顆粒物污染。

3 高強(qiáng)度螺栓安裝技術(shù)要求

(1) 質(zhì)量要求。螺栓連接件必須配套使用,螺栓規(guī)格不隨便代用。一套高強(qiáng)度螺栓連接副必須使用同一供應(yīng)商供貨,同一個(gè)工作面緊固件必須使用同一供應(yīng)商供貨。螺栓孔徑和安裝板厚須滿足圖紙要求。高強(qiáng)度螺栓孔徑公差的差異,會(huì)使連接節(jié)點(diǎn)中各排螺栓的受力差異加劇。連接板厚度公差的差異,使節(jié)點(diǎn)中高強(qiáng)度螺栓的受力不均勻性增大。

(2) 緊固順序。高強(qiáng)度螺栓連接一般是成組使用,因螺牙的特殊結(jié)構(gòu)和各螺栓間的相互彈性作用,后擰緊的螺栓對(duì)先擰緊螺栓中的預(yù)緊力會(huì)產(chǎn)生一定的影響,所以,同時(shí)緊固最佳,對(duì)角緊固和間隔緊固次之,順序緊固最差。螺栓的緊固順序按先中間、后兩邊、對(duì)角、順時(shí)針?lè)较蛞来巍⒎蛛A段緊固的原則進(jìn)行。

(3) 緊固力矩。為了增強(qiáng)螺紋連接的剛性、緊固性,提高防松能力,并防止受橫向載荷螺栓連接的滑動(dòng),高強(qiáng)度螺栓在連接裝配時(shí)都要預(yù)緊。施加預(yù)緊力矩時(shí),可用力矩扳手法、螺母轉(zhuǎn)角法、指示墊圈法、測(cè)定螺栓伸長(zhǎng)法和螺栓延伸長(zhǎng)法來(lái)控制預(yù)緊力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓連接常采用扭矩法緊固,施工必須先初緊后終緊,初緊高強(qiáng)螺栓需用沖擊型電動(dòng)扳手或扭矩可調(diào)電動(dòng)扳手。采用分步驟緊固:① 預(yù)緊,不論是手動(dòng)還是小力矩動(dòng)力工具,預(yù)緊扭矩都要求小于最終扭矩的50%;② 緊固螺栓到最終扭矩的75%,允許力矩偏差在±10%;③ 緊固螺栓到最終扭矩的100%,螺栓承受的軸向拉力達(dá)到最大允許值為螺栓材料屈服強(qiáng)度的50%～70%。

(4) 緊固標(biāo)識(shí)。為了防止漏緊固,便于維護(hù)人員快速識(shí)別松動(dòng)連接處,高強(qiáng)度螺栓緊固后應(yīng)立即畫標(biāo)識(shí)。標(biāo)識(shí)線應(yīng)對(duì)齊,一筆到位,禁止多次涂改。標(biāo)識(shí)線應(yīng)盡量做到清晰、粗細(xì)均勻、連續(xù)。一次緊固在螺栓頭標(biāo)記一條線,二次緊固多劃一條線標(biāo)記,形成X形。

4 高強(qiáng)度螺栓安裝檢驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí),主要根據(jù)力矩值來(lái)檢查安裝是否到位。施工完成后,對(duì)高強(qiáng)度螺栓連接副必須進(jìn)行扭矩檢查。

高強(qiáng)度大六角頭螺栓連接副終擰1 h后、48 h內(nèi)應(yīng)進(jìn)行終擰扭矩檢查。

對(duì)于檢査數(shù)量,按節(jié)點(diǎn)數(shù)抽查10%,且不應(yīng)少于10個(gè)。每個(gè)被抽查節(jié)點(diǎn)按高強(qiáng)度螺栓數(shù)抽查10%,且不應(yīng)少于2個(gè)。

在螺尾端頭和螺母相對(duì)位置劃線,將螺母退回60°左右,用扭矩電動(dòng)板手測(cè)定擰回至原來(lái)位置時(shí)的扭矩值。該扭矩值與施工扭矩值的偏差在10%以內(nèi)為合格。如發(fā)現(xiàn)有不符合規(guī)定的,應(yīng)再擴(kuò)大檢查10%。如仍有不合格者,則整個(gè)節(jié)點(diǎn)的高強(qiáng)度螺栓應(yīng)重新擰緊。

對(duì)于經(jīng)檢查合格后的高強(qiáng)度螺栓連接處,要涂防銹漆,避免出現(xiàn)腐蝕。

5 結(jié)束語(yǔ)

高強(qiáng)度螺栓連接副是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分,正確使用高強(qiáng)度螺栓,合理的緊固順序,適當(dāng)?shù)木o固力矩,以及安裝后的檢查檢驗(yàn)方法,都對(duì)高強(qiáng)度螺栓的安裝質(zhì)量有很大的影響。根據(jù)實(shí)際的施工經(jīng)驗(yàn)和方法,編制規(guī)范的施工工藝,形成正式受控文件。在施工時(shí),要特別注意對(duì)操作員工進(jìn)行不定期的換崗作業(yè),從而可以發(fā)現(xiàn)習(xí)慣性與非習(xí)慣性的問(wèn)題。自行檢查、互相檢查及質(zhì)檢員專檢相結(jié)合,降低因高強(qiáng)度螺栓安裝問(wèn)題帶來(lái)的工時(shí)或物料損失,避免因高強(qiáng)度螺栓緊固方法不當(dāng)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝工期和安全質(zhì)量。