液压拉伸对轮螺栓在汽轮发电机组中的应用

汪永久，林 森，刘学增

(1．华能大连电厂，辽宁 大连 116100;2．东北电力科学研究院有限公司，辽宁 沈阳 110006)

汽轮发电机组容量越来越大，联轴器螺栓的装配和拆卸也越来越困难。国外采用液压拉伸对轮螺栓替代传统联轴器螺栓，有效解决了这一难题。这种先进的液压拉伸螺栓在欧洲电站及大型舰船已经广泛使用，GE公司在大型发电机组上也开始推广应用。国内进口大部分法国ALSTOM生产的350 MW机组和核电900 MW机组均使用液压拉伸螺栓，而国产及早期进口发电机组在这项技术上还是空白。

1 传统联轴器螺栓与液压拉伸对轮螺栓比较

1.1 传统联轴器螺栓存在缺陷［1］

a． 根据定位精度及传递扭矩要求，螺栓与孔直径间隙保证在0.03 mm(只限定位部)以内，且具有良好直线度及光洁度。

安装中要求穿联轴器螺栓时两对轮及中间垫片(盘车齿轮或测量胀差用)必须同心，但由于加工及测量误差等，螺栓穿孔非常困难。若强行将螺栓打入螺孔内，会使螺栓及螺孔受损，再加上机组启动带负荷后，汽机轴功率通过联轴器螺栓传递到发电机端，联轴器螺栓受扭转剪切应力作用而使定位部变形，那么机组下次检修时拆卸联轴器螺栓将更困难，即使将联轴器螺栓拆卸下来，螺栓也会损坏严重。

b． 螺孔拉毛，给联轴器造成不可逆转的损伤，需要重新铰孔。

现场铰孔时放大了间隙，势必会影响联轴器定位精度。当电网振荡对轴系产生巨大冲击时，螺孔间隙不均匀会使螺栓受到不均匀剪切力，导致联轴器两侧端面出现错位，此为轴系发生工频倍频振动的原因之一，直接影响机组稳定运行。

c． 由于联轴器螺栓拆卸困难，轴系若出现振动、轴瓦温度高、轴瓦磨损、推力瓦磨损等问题，只能在计划检修中实施，抢修时很难实现。

1.2 液压拉伸螺栓简介

图1 液压拉伸螺栓结构

a． 液压拉伸螺栓是20世纪80年代欧洲发展起来的一种新兴技术，与传统联轴器螺栓相比，具有许多优点，其结构见图1。

b． 液压螺栓使用方法

先将螺栓2和锥形套4放入联轴器螺孔内 (注意锥形套4方向)。锥形套与联轴器螺孔具有较大间隙 (0.08 mm)，便于螺栓与联轴器螺孔装配。

c． 利用一个定位套将锥形套4限制在联轴器中间位置。

d． 用拉伸杆将拉伸用锥形螺母6旋入，在液压拉伸器轴向拉力作用下，螺栓被拉伸，强制锥形套4膨胀、外径变大，在联轴器螺孔内产生过盈配合 (间隙为0)，完全消除了螺栓与联轴器螺孔之间的装配间隙，从而达到精确定位的目的。

1.3 液压螺栓优点

a． 螺栓与联轴器螺孔在装配时留有较大间隙，螺栓与锥形套采用锥面结构，可实现快速安装和拆卸，消除螺栓卡住及表面损伤等故障，降低劳动强度，提高工作效率。

b． 联轴器螺孔与锥形套4之间径向过盈配合，容易达到同心度要求，从而避免联轴器法兰盘间滑移错位。

c． 由于液压力能够准确控制螺栓伸长量和紧力，能在联轴器法兰盘间建立巨大正压力及摩擦力，使螺栓剪切力降低，延长其使用寿命，避免传统螺栓靠人工打大锤紧固而造成的螺栓受力不均匀。

d． 液压螺栓可反复使用，无需替换备件，不会对联轴器螺孔造成损伤。

2 液压螺栓强度复核计算

2.1 液压螺栓强度相关计算

使用材料性能［1］如下。

螺栓及螺母: σ0.2=816 MPa，［τ］=417 MPa，HB=285，弹性模量E=203 GN/m2

许用应用: ［σ1］=281 MPa，［τ1］=162 MPa，

锥套: σ0.2=686 MPa，［σA］=343 MPa，

数据测试:测量螺栓总长度L0为453.5 mm。

将螺栓及锥套装入模拟联轴节试验装置的螺栓孔，用定位套将锥套在螺孔中轴向定位，联接好液压系统，安装测量装置——磁力表架百分表，开始加压。这时，螺栓开始轴向位移。压力表读数及螺栓轴向位移试验数据见表1。

此过程为锥套膨胀 (定位)过程，即消除锥套与螺孔间隙，达到过盈配合状态。然后，安装两端螺母并用手拧紧。在螺栓小端联接液压系统，安装百分表，进行螺栓拉伸过程。当压力达到15 000油压 (PSI)时，用手拧紧小端螺母，释放油压。这时螺栓保留0.44 mm的拉伸量，具体过程见表1。

表1 试验数据记录表

2.2 剪应力计算

运行过程中，假定极端状态下扭矩完全由锥套及螺栓承受的剪切力传递。螺栓数量为18根，按额定功率的1.1倍校核，则:

式中，额定功率N=350 MW;对轮螺栓中心圆半径R1=0.812 8/2=0.406 4 m;液压对轮螺栓半径R2=0.069/2=0.034 5 m。

短路状态下，按6倍额定功率计算如下:

实际上，因联轴节圆盘之间存在很大摩擦力，仅传递30%以上额定功率，故锥套及螺栓实际承受剪切力要比以上数值更小，满足使用性能。

2.3 液压拉伸螺栓的拉应力强度计算

校核实物试验过程中高压油泵压力表显示最大压力值，即螺栓所受最大拉力时强度情况:当液压拉伸压力达到15 000 PSI时，Pmax=15 000 PSI=103.4 MPa。

求得最大拉力Fmax=414 205 N，螺栓最小截面尺寸D=0.043 5 m Am=πd2/4=0.001 485 m2，因此，σmax=Fmax/Am=279 MPa

螺栓伸长量为Δl，其计算公式如下:

式中，E=203 GN/m2;为对应液压拉伸螺栓伸长量及其螺栓最小截面积。

实物实验时，螺栓最后保持伸长量值ΔL0=0.44 mm。对应螺栓保持拉力F0=357 353 N，应力 σ0=F0/Am=240 MPa＜ ［σ1］ =281 MPa，减小伸长量可相应降低螺栓所受拉应力，实际安装时液压拉伸螺栓伸长量仅为0.33 mm，所受拉应力比σ0=F0/Am=240 MPa更小，满足使用性能。

2.4 螺母的强度计算

M52×3，L=50 mm可承受最大拉力为842 800 N，而目前最大拉力仅为357 308 N，安全裕量很大。C422螺母抗拉许用应力〔σb1〕 =281 MPa。

挤压强度应力:σJ=F0/A0=357 353/0.002 341=152 MPa ＜ 〔σb1〕 =281 MPa［2］。

式中:F0=357 353 N=36.46 T;A0=1/4π (φ12－φ22) =1/4π (882－692) ×10－6=0.002 341 mm2;φ为螺母的有效截面直径，mm。

强度校核计算表明:液压对轮螺栓强度能满足机组运行要求。

3 改造实施工艺过程及应用

3.1 改造实施工艺过程

a． 轴系找完中心后，用4条临时螺栓将联轴器拧紧。

b． 测量联轴器孔径原始尺寸后，开始镗孔。当镗孔尺寸、椭圆度、光洁度、锥度达到汽轮机出厂标准后，测量联轴器孔径最终尺寸。

c． 按镗孔后联轴器孔径尺寸配磨锥形套，使其尺寸小于联轴器孔径尺寸 (0.06～0.08 mm)。

d． 装配前测量螺栓原始长度。

e． 连接好液压系统，在螺栓两端装上百分表用以测量伸长量。

f． 液压系统加压，在不同压力下记录伸长数据。当达到预定压力时，用手拧紧螺母，释放压力。测量的螺栓长度与原始长度之差即为螺栓伸长量，使其达到设计伸长量 (0.33 mm)。

经过安装测量表明，采用新型液压拉伸对轮螺栓完全能够满足原有传统联轴器螺栓安装的技术工艺要求。

3.2 新型液压拉伸对轮螺栓的应用

华能大连电厂1期2台三菱350 MW机组和2期英巴350 MW机组高压缸—低压缸、低压缸—发电机对轮螺栓，均为传统联轴器螺栓。从2006年开始，4台机组陆续将对轮螺栓改造为液压拉伸螺栓。

2006年4号机组大修期间，拆卸高压—低压、低压—发电机传统联轴器对轮螺栓，用时48 h，18根对轮螺栓中有7根拉毛损坏严重已无法使用，见图2。2011年5月，4号机组大修期间，拆卸使用了运行5年的高压—低压、低压—发电机新型液压拉伸对轮螺栓，仅用时2 h，液压拉伸螺栓无一拉毛及损坏，见图3。仅拆卸对轮螺栓一项，就节省工时46 h，经济效益显著。

采用新型液压拉伸螺栓后，所配螺母也由六方形改为圆形，且对轮护板直接禁锢在螺栓上，降低了对轮鼓风的影响，提高了设备安全。

采用液压螺栓连接后，螺栓紧力增强，受力更加均匀，提高了设备运行的可靠性。

采用液压拉伸方法后，联轴器螺栓不会受到径向冲击载荷，螺栓使用寿命大大提高，机组运行更可靠。

4台350 MW机组将高压缸—低压缸、低压缸—发电机的对轮螺栓改造为液压拉伸螺栓后，运行至今已有5年时间，期间经历了多次超速试验和长时间满负荷运行，实践证明，液压拉伸螺栓性能稳定，轴系振动合格，技术改造非常成功。

4 结论

a． 华能大连电厂4台350 MW机组采用新型液压对轮螺栓后，拆装单台机组高压—低压、低压—发电机对轮所用时间由48 h减少到2 h，所用工时大幅减少，仅此一项就节省2天大修时间，经济效益显著。

b． 采用新型液压拉伸对轮螺栓，联轴器螺栓不会受到径向冲击载荷，螺栓使用寿命大大提高。

c． 采用新型液压拉伸对轮螺栓，强度、材料使用、外形尺寸、螺栓伸长量等因素都满足传统联轴器螺栓技术工艺要求。

［1］ 徐 为．汽轮发电机组联轴节液压螺栓系统介绍［R］．联轴节液压螺栓的安装手册 (用户版)．

［2］ 刘鸣放．金属材料力学性能手册［M］．北京:机械工业出版社，2010．

［3］ 黄冰阳．舰船轴系用高强度液压螺栓的性能研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工程大学，2008．