邵學(xué)博，楊樹華，肖忠會，孟繼綱，張 弛

（沈鼓集團股份有限公司，沈陽 110869）

0 引言

在大型壓縮機裝備制造中，螺栓連接是法蘭間較為常見的連接形式之一，承壓螺栓還提供預(yù)緊功能，保障壓縮機外殼的密閉性需求。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，螺栓的安裝形式也越發(fā)多樣化。近年來，液壓拉伸螺栓、超級螺栓等新型安裝螺栓越發(fā)頻繁的應(yīng)用于大型壓縮機的法蘭連接中。區(qū)別于普通的力矩扳手把合的螺栓，液壓拉伸螺栓因其能夠提供更高的預(yù)緊力、更少的人為干預(yù)以及快速高效的安裝過程，近年來更為設(shè)計人員所青睞。正是因為液壓拉伸螺栓使用的產(chǎn)品案例越來越多，且隨著螺栓需要承載的載荷逐漸升高，在現(xiàn)場產(chǎn)品的壓力試驗驗證環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)了一系列的機殼泄漏問題，在排查結(jié)構(gòu)、工藝以及仿真的各個環(huán)節(jié)后，工程人員對于螺栓的真實預(yù)緊能力提出了一定的懷疑。尤其是當(dāng)液壓拉伸螺栓取代普通螺栓的過程中，其預(yù)緊力的預(yù)估方法成為了新的工程研究方向。最終通過調(diào)研、案例剖析后開展螺栓試驗定性研究，并將成果應(yīng)用于產(chǎn)品試壓分析，提升了機殼仿真精度，并在近年來20余臺產(chǎn)品中得到了驗證。限定條件下的液壓螺栓殘余預(yù)緊力的預(yù)估，能夠為同類液壓安裝螺栓的應(yīng)用和仿真分析過程提供技術(shù)參考。

1 調(diào)研與案例剖析

一般而言，水平剖分式壓縮機機殼中分面法蘭需要螺栓連接把合，外形如圖1所示，而采用力矩扳手把合的方式已經(jīng)無法滿足大規(guī)格螺栓的設(shè)計預(yù)緊力安裝要求。一般而言，M42-M110規(guī)格的螺栓采用液壓拉伸的安裝方式更為便捷和適用。隨著大型壓縮機的設(shè)計發(fā)展，機殼的壓力承載要求在升高，出廠前的壓力密閉性試驗成為一項機殼關(guān)鍵技術(shù)難點。隨著仿真技術(shù)與現(xiàn)場試驗技術(shù)的不斷融合，發(fā)現(xiàn)小批量產(chǎn)品發(fā)生的泄漏事件與仿真分析結(jié)果存在較大偏差。在排除了加工、工藝、設(shè)計因素影響后，確定了此類產(chǎn)品存在共性問題，即采用了液壓拉伸螺栓，初步猜測主要問題源自拉伸螺栓的實際預(yù)緊性能的偏差。

圖1 水平剖分式壓縮機機殼外形Fig.1 Shape of horizontal split compressor casing

在對國內(nèi)學(xué)者關(guān)于螺栓的成果調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，眾多學(xué)者關(guān)注的主要為螺栓的安全性、試驗仿真方法以及松弛問題［1-13］，也有部分學(xué)者對于螺栓安裝初期的預(yù)緊力損失做了理論性探討［14］以及試驗研究［15］，但影響因素復(fù)雜，僅能通過一個較大損失比例來粗略預(yù)估。德國VDI-2230標(biāo)準(zhǔn)［16］中規(guī)定了M39以下的螺栓設(shè)計方法，提出了分散系數(shù)，但該系數(shù)更多的是考慮安裝過程中的人為干預(yù)，這與機械設(shè)計手冊中的提法類似，相當(dāng)于從經(jīng)驗上選取了一個保守的預(yù)緊力損失比。然而拉伸器廠商甚至認(rèn)為拉伸螺栓的實際預(yù)緊力在損失惡劣時高達50%，且此時僅考慮了安裝前后狀態(tài)，還未考慮螺栓的應(yīng)力松弛等問題。如果采用50%的指標(biāo)進行壓縮機設(shè)計，此時壓縮機的實際承壓能力將大大受限，無法開展進一步的產(chǎn)品升級和技術(shù)研發(fā)。壓縮機用液壓拉伸螺栓的實際預(yù)緊能力成為了迫切需要解決的技術(shù)難點。

在該問題研究初期，選擇了多臺典型的機殼試壓泄漏解決案例開展仿真復(fù)現(xiàn)，試探性地考察壓縮機機殼中分面的真實接觸狀態(tài)。根據(jù)機殼現(xiàn)場的試壓“冒汗”現(xiàn)象為參考泄漏狀態(tài)，對等的，以仿真分析中淺色區(qū)域到達螺栓孔為仿真泄漏狀態(tài)。其中比較具有代表性的2個案例展示如下。

案例1機殼的試驗過程為：現(xiàn)場試驗壓力打壓到5.2 MPa時發(fā)生泄漏現(xiàn)象，通過對螺栓規(guī)格的提升，提高預(yù)緊力，最終6.5 MPa壓力下試驗合格。

案例1在泄漏發(fā)生到解決的過程中，設(shè)計、工藝和力學(xué)專業(yè)技術(shù)人員分別通過結(jié)構(gòu)、工裝工藝、仿真結(jié)果3個方面進行了摸底和排查。比對以往業(yè)績產(chǎn)品和案例1產(chǎn)品的差異性。除了將普通力矩扳手把合螺栓變換為液壓拉伸螺栓外，壓力、結(jié)構(gòu)尺寸檢測、工裝工藝、外部環(huán)境和水介質(zhì)均未見異常。最終通過對液壓拉伸螺栓的工作機理進行深入的研究，初步判定螺栓實際預(yù)緊性能為異常因素。

通過對機殼的3種試驗工況開展仿真分析，并提取機殼中分面法蘭的接觸狀態(tài)，進行定性分析。3種仿真工況分別為：（1）5.2 MPa試驗壓力，預(yù)緊力不考慮損失比例影響；（2）5.2 MPa試驗壓力，預(yù)緊力考慮損失比例30%影響；（3）6.5 MPa試驗壓力，螺栓規(guī)格提升并考慮預(yù)緊力損失比例30%的影響。

分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 案例1的中分面接觸狀態(tài)Fig.2 Contact status of horizontal split in case 1

根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，工況1為不考慮螺栓的預(yù)緊力損失時，機殼中分面脫離區(qū)域（淺色）未達到螺栓孔，不會發(fā)生泄漏，這與實際現(xiàn)場并不相符。工況2為試探性的將螺栓的預(yù)緊力損失調(diào)整為30%時，機殼中分面脫離區(qū)域（淺色）達到螺栓孔，發(fā)生泄漏，這與實際現(xiàn)場是符合的。工況3為考慮螺栓30%的預(yù)緊力損失條件下，模擬的最終試驗通過狀態(tài)，機殼中分面脫離區(qū)域（淺色）未達到螺栓孔，不會發(fā)生泄漏，這與實際現(xiàn)場情況相符。

案例2機殼的試驗過程為：現(xiàn)場試驗壓力打壓到試驗壓力時發(fā)生泄漏現(xiàn)象，通過對螺栓預(yù)緊力的一次提升，最終試驗合格。

案例2與案例1類似，前期開展了各專業(yè)的泄漏異常因素排查，除了采用了液壓拉伸螺栓外，壓力、結(jié)構(gòu)尺寸檢測、工裝工藝、外部環(huán)境和水介質(zhì)均未見異常，最終也判定螺栓實際預(yù)緊性能為異常因素。

通過對機殼的3種試驗工況開展仿真分析，并提取機殼中分面法蘭的接觸狀態(tài)，進行定性分析。3種仿真工況分別為：（1）試驗壓力，預(yù)緊力不考慮損失比例影響；（2）試驗壓力，預(yù)緊力考慮損失比例30%影響；（3）試驗壓力，螺栓加大預(yù)緊力并考慮預(yù)緊力損失比例30%的影響。

分析結(jié)果如圖3所示。根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，對于工況1和工況2，無論是否考慮螺栓的預(yù)緊力損失，機殼中分面脫離區(qū)域（淺色）均達到螺栓孔，發(fā)生泄漏，這與實際現(xiàn)場相符。工況3為考慮螺栓30%的預(yù)緊力損失條件下，模擬的最終試驗通過狀態(tài)，機殼中分面脫離區(qū)域（淺色）恰好未達到螺栓孔，不會發(fā)生泄漏，這與實際現(xiàn)場情況相符。

圖3 案例2的中分面接觸狀態(tài)Fig.3 Contact status of horizontal split in case 2

該2臺機組均通過初步預(yù)設(shè)螺栓的預(yù)緊力損失，仿真分析結(jié)果很好地貼合了現(xiàn)場試驗結(jié)果。而在其余機組的分析案例中，也得到了良好的體現(xiàn)。由此說明：（1）預(yù)緊力損失比例對仿真分析結(jié)果影響較為明顯，機殼的仿真分析必須加以考慮；（2）預(yù)緊力損失比例未達50%之高，損失機理和特定條件下的實際預(yù)緊性能需要進一步的研究。

在對液壓拉伸螺栓的預(yù)緊力損失機理調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，參考文獻［9］中指出，拉伸螺栓的預(yù)緊力損失主要因素包括：夾持件的變形、液壓卸載后的螺母螺紋以及螺栓螺紋變形因素，并開展了理論推導(dǎo)和仿真計算比對，最終文獻［9］中的案例采用仿真得到的損失比為31%。而實際還存在3個比較關(guān)鍵的指標(biāo)，分別為螺栓的長度與直徑比（以下簡稱長徑比）、螺紋的配合間隙以及擰緊操作時的螺母預(yù)緊力矩，后兩個指標(biāo)無法采用理論進行推導(dǎo)。螺栓的長度與直徑比表征螺桿的剛性，從理論上講，同等操作條件下，更為細(xì)長的螺桿損失比更小，因從應(yīng)變的角度，同等的回彈變形，總長所代表的分母項越大，應(yīng)變損失比例也就越小，從經(jīng)驗上看，損失比例與長徑比不是單一的線性關(guān)系。而擰緊操作時的螺母預(yù)緊力矩會一定程度上降低預(yù)緊力損失，綜上考慮，可以通過試驗開展經(jīng)驗性的判斷和有限元的仿真修正。為了實現(xiàn)工程應(yīng)用，針對限定安裝條件下的液壓拉伸螺栓開展試驗和仿真分析，確定了螺栓損失曲線，為后續(xù)的機殼試驗仿真提供更為精準(zhǔn)的載荷輸入條件。

2 螺栓試驗與仿真分析

試驗本著簡單、快速的設(shè)計原則，選取單根液壓拉伸螺栓，采用拉伸-應(yīng)變測試方法，根據(jù)液壓拉伸工具的加載、螺母旋緊、液壓卸載為一個周期的試驗過程，使用靜態(tài)應(yīng)變測試儀針對螺栓螺柱面進行應(yīng)變測試工作。為盡量貼近實際產(chǎn)品，試驗前針對螺紋參數(shù)進行控制，采用6級加工精度，操作人員在把合螺母時，控制螺母旋合角度，當(dāng)旋緊后進行一次校對，螺母再次旋緊角度應(yīng)低于5°，螺栓規(guī)格為M42，螺距3 mm，長徑比為3。

試驗原理和流程如圖4所示，以液壓泵的加壓和卸壓過程為一次試驗過程，采用3個壓力等級（15，30，45 MPa）作為測試壓力，卸載為0 MPa時的測試應(yīng)變作為液壓螺栓實際殘余的應(yīng)變。使用靜態(tài)應(yīng)變測試儀針對螺栓螺柱面進行應(yīng)變測試工作，螺桿測試截面周向均布4個測點。

圖4 螺栓拉伸試驗原理Fig.4 Schematic diagram of bolt tensile test

經(jīng)測試，得到的相關(guān)應(yīng)變數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表1。螺桿同一測試截面均布4個測點，理論上4個測點數(shù)值應(yīng)完全一致。而實際拉伸試驗時，存在材料和載荷的不均勻性，單一測點無法反應(yīng)該截面的實際承載情況，故針對4個測點實測應(yīng)變值做數(shù)值平均，得到其平均應(yīng)變。

表1 液壓螺栓拉伸試驗結(jié)果Tab.1 Hydraulic bolt tensile test result

損失比例αk定義為：

αk=1-ε0/εload

式中，ε0為螺母把緊后液壓卸載后的實測應(yīng)變；εload為液壓加載后的實測應(yīng)變。

同步開展有限元仿真工作，采用生死單元技術(shù)模擬螺母在螺栓液壓加載時的旋緊狀態(tài)。根據(jù)螺栓的首環(huán)螺紋變形值初步確定旋進角度，以試驗規(guī)格尺寸的螺栓開展分析，并根據(jù)同等損失比例條件下的角度數(shù)值進行修正，將擰緊力因素、加工精度以旋進角度的方式加以考慮。并以此為基礎(chǔ)開展多種長徑比的螺栓預(yù)緊力損失比例的仿真計算，得到如表2所示的數(shù)據(jù)結(jié)果。

表2 M42液壓螺栓仿真分析結(jié)果Tab.2 M42 hydraulic bolt FEA result

由試驗和仿真分析結(jié)果可以看出，在螺紋精度6級以及限定的安裝形式下，長徑比在2～7之間的M42液壓拉伸螺栓預(yù)緊力的損失比例在26%～35%之間。后續(xù)試用該結(jié)果納入仿真分析開展螺栓實際預(yù)緊力的修正，并進行了一系列的現(xiàn)場產(chǎn)品跟蹤。

3 預(yù)緊力損失比例的應(yīng)用情況

對于液壓拉伸螺栓，考慮極端的操作和加工間隙不規(guī)范等問題，采用35%的損失比例，可以用于螺栓的預(yù)緊力殘余的保守預(yù)估。為了提升拉伸螺栓的預(yù)緊力性能，從力學(xué)仿真分析和工程經(jīng)驗上講，首先螺紋的加工精度應(yīng)盡量在6級以上，操作時，在拉伸器壓力達到預(yù)定壓力后，控制螺母旋合角度，旋緊后進行一次校對，螺母再次旋緊角度應(yīng)低于5°，此時根據(jù)拉伸螺栓的加持長度和最小直徑的比例，按照文中表2的比例關(guān)系選取預(yù)緊力損失比例，用于有限元仿真，可以更為精準(zhǔn)地預(yù)測壓縮機機殼的法蘭密閉性情況。

隨著產(chǎn)品設(shè)計的精細(xì)化發(fā)展，高壓力、薄壁機殼的出現(xiàn)頻次增加，保守的指標(biāo)嚴(yán)重制約了產(chǎn)品設(shè)計。經(jīng)由螺栓預(yù)緊力殘余的試驗和仿真研究數(shù)據(jù)成果，近3年在20余臺采用液壓拉伸螺栓的壓縮機機殼進行了試驗驗證，尤其是針對壓縮機機殼設(shè)計階段的密閉性優(yōu)化研究方面，仿真分析結(jié)果產(chǎn)生良好的指導(dǎo)方向，同時還針對處于滑移狀態(tài)的臨界情況進行了現(xiàn)場比對，確定了本文所采用的損失比例是適用于工程應(yīng)用的。將該損失比例納入仿真分析流程，成功將機殼試驗的通過率從60%提升到了95%以上。也是基于此項分析技術(shù)，大型乙烯壓縮機產(chǎn)品、大型丙烷脫氫制丙烯壓縮機產(chǎn)品、大型空分壓縮機、大型LNG壓縮機產(chǎn)品的機殼設(shè)計水平得到了進一步的提升。

4 結(jié)論

（1）液壓拉伸螺栓連接形式下，螺栓預(yù)緊力損失對機殼仿真分析結(jié)果影響較大，預(yù)緊力損失比例未達50%之高；

（2）通過2個典型案例定性地確定該類法蘭連接形式存在預(yù)緊力損失，且損失比例大約在30%左右；

（3）對固定安裝方法和規(guī)格下的螺栓開展了快速的螺栓試驗分析研究，經(jīng)試驗測試和仿真的協(xié)同，得到了長徑比在2～7之間的M42液壓拉伸螺栓預(yù)緊力損失比例變化關(guān)系；

（4）考慮預(yù)緊力損失因素后，機殼的一次試驗通過率從60%提升到95%以上，研究結(jié)果應(yīng)用于近年來的壓縮機機殼仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化指導(dǎo)工作，取得了良好的應(yīng)用成效。