特高压钢管塔高强度大扭矩螺栓紧固扳手的研制

刘博，王力争，苗峰显，方锡忠

(国家电网公司交流建设分公司，北京市 100052)

0 引言

“皖电东送”淮南—上海特高压交流输电工程是继1000kV特高压交流试验工程后的第2条特高压交流输变电示范工程，是我国首条采用钢管塔同塔双回路架设的特高压线路，其示范意义重大。钢管塔采用带劲法兰螺栓连接，螺栓规格有6.8级和8.8级，螺栓型号有M16-M56，共计13种，螺栓扭矩为170～2500 N·m，平均单基钢管塔含螺栓10000多个，螺栓规格之高、扭矩之大、数量之多在输变电工程建设中尚属首次。对于钢管塔法兰螺栓紧固，需首先解决3个问题:一是大扭矩螺栓的紧固。传统输变电建设中铁塔螺栓的紧固多使用机械扭矩扳手，铁塔螺栓主要承受剪应力，最大扭矩值一般在250 N·m以下，人力机械扭矩扳手均能实现紧固。但钢管塔法兰螺栓主要承受拉应力，对螺栓的紧固扭矩值和紧固精度均有较高的要求，紧固扭矩值过大，容易造成螺栓拉伸或脆断。紧固扭矩值过小，螺栓容易松动。在风扰动的条件下，铁塔舞动幅度增大，也会造成部分螺栓疲劳脆断，安全风险较为突出。在本工程中，需将螺栓紧固精度控制在紧固扭矩值±10% 的误差之内。在高空作业条件下，人力所能承受的最大扭矩约在300 N·m以内，而本工程大部分螺栓紧固精度要求均在300 N·m以上，最大扭矩更是达到2500 N·m，需研制能够实现高精度和大扭矩螺栓紧固的专用机具。二是提高螺栓紧固效率。单基钢管塔每个法兰螺栓数量在十几个至几十个，整机塔平均螺栓用量为上万颗，最多达2万颗以上，传统的人力紧固效率较低，紧固工作量巨大，需要开发施工效率高的法兰螺栓紧固机具。三是机具的规格问题。工程共含螺栓型号13种，但如果仅考虑螺栓数量，并使用多种型号的紧固机具将会给高空作业带来麻烦。

1 铁塔螺栓专用扭矩扳手

1.1 扭矩扳手类别

螺栓紧固用的扳手按驱动可以分为机械扳手、气动扳手、液压扳手、电动扳手。

(1)机械扳手:操作和携带方便，适宜小扭矩螺栓紧固。但扳手的行星齿轮易损坏、耐用性不高;扳手效率低，螺栓型号越大，紧固效率越低;紧固精度不高，不能实现设定扭矩紧固。

(2)气动扳手:扭矩大，易控制，易维修，使用安全;但笨重，不宜用于高空作业。

(3)液压扳手:高精度，高效率，劳动强度低;但要求螺栓上方及周围有足够的空间。

(4)电动扳手:易于控制，精度高，劳动强度低，效率高;但供电安全可靠性要求高，且易发热烧坏电机。

1.2 扭矩扳手选型

在综合分析各类扳手优缺点的基础上，本着开发高效率、高精度且适用于特高压输变电现场施工环境、力促带动输变电工程建设铁塔螺栓紧固工具革命性变革的基本原则，选择电动扭矩扳手作为本项目研究的重点。

1.2.1 螺栓紧固扭矩值要求

2011年，电力规划设计总院确定了“皖电东送”淮南—上海特高压交流输电示范工程钢管塔法兰螺栓紧固扭矩值，除M16按照常规螺栓紧固扭矩要求定为100 N·m外，其余12种螺栓紧固扭矩值如表1所示。

1.2.2 各型螺栓的空间分布

为对电动扭矩扳手所带套筒做科学的划分，对“皖电东送”淮南—上海特高压交流输电示范工程具有代表性的部分钢管塔螺栓分布进行了分析，如表2所示。M20、M24、M27、M304 种螺栓占91%以上，M33 及以上螺栓占9%左右。法兰盘中螺栓与螺栓之间的距离以及螺栓与钢管外径之间的距离是紧固螺栓的可用操作空间，套筒的大小和壁厚必须满足该操作空间要求。图1给出了对焊法兰螺栓的基本参数，需根据参数确定电动扭矩扳手的操作空间。工程共有法兰规格90种，表3给出了部分法兰螺栓详细参数。

表1 螺栓紧固扭矩值Tab.1 Torque of fastening bolt

表3 法兰螺栓基本参数表Tab.3 Parameters of bolts in flanges mm

1.2.3 电动扭矩扳手的研究内容

根据钢管塔法兰螺栓紧固空间及施工作业环境，电动扭矩扳手的主要研究方向和解决的问题是:根据螺栓的空间距离，研究专用套筒。套筒壁厚需满足操作空间要求，套筒材质应能承受制定扭矩值的受力要求;按照所紧固螺栓的型号和螺栓在铁塔中的空间分布特点，对电动扭矩扳手做合理的分类，每一把扳手应带多个套筒，全部扳手覆盖所有螺栓;扳手需要高精度，防止风扰动造成螺栓受力疲劳而拉断;提高螺栓的紧固效率，降低劳动强度;尽量减轻质量，适合高空作业;采取措施防高空脱落零部件;根据实际需要，开发一种满足各类验收所需的直流扭矩扳手。

1.2.4 电动扭矩扳手的型号

根据不同螺栓研制了2套共6种型号的电动扭矩扳手，扭矩覆盖范围为100～2500 N·m;2套电动扭矩扳手的基本参数如表4、5所示。

1.3 交流电动扭矩扳手的研制

1.3.1 零件的组成

电动扭矩扳手基本构件包括显示板、电源开关、扶手、电机及外壳、减速箱、反力臂、输出方隼、标准套筒等(见图2)。

1.3.2 电机选型

扭矩扳手电机由机壳、端盖、转子、定子、电刷组件等组成。散热采用风扇冷却方式;转子为绕线式，应用银铜合金换向器;端盖采用高强度航空钛合金材料;选用高速低噪音轴承;定、转子选用低损耗优质硅钢片;绕组用E级绝缘高强度漆包线;碳刷架与电机座采用一体式设计，碳刷定位牢靠，火花小且稳定。配套电机为单相高速串激电机，改进电机绕组设计，软化电机特性曲线，扩大电机扭矩覆盖范围，提高电机扭矩输出线性度，实现了小尺寸大功率的要求。

图2 交流电动扭矩扳手Fig.2 AC electrical wrench

1.3.3 扭矩控制单元

常规电动扭矩扳手一般是通过控制电流实现输出扭矩控制，受磁场等外部环境影响，输出误差一般较大，最大误差甚至超过±30%。本项目所研发的电动扭矩扳手是将电机电压、转速、反向电动式等影响扭矩的指标参数同时输入单片机，通过控制单元的运算控制输出扭矩值，大幅度提高了扭矩输出精度，可确保输出精度控制在±6%以内。

1.3.4 减速机

减速机采用多级行星齿轮，且均采用渗碳或高频表面热处理，具有精度高、噪音低、寿命长的特点;减速机与电机连接件采用铝钛合金材料，降低整机质量，较进口扳手质量轻10%左右;减速机在未启动前可以灵活转动，便于方隼、套筒与螺母的迅速配合，可提高施工效率。

1.3.5 反力臂

选用航空铝钛合金作为反力臂材料，降低反力臂质量;反力臂与扳手采用齿轮连接，可360°旋转，便于寻找支撑点;反力臂采用橡胶圈固定定位，使用方便，安全可靠。

1.3.6 套筒

针对高颈法兰螺栓双螺母紧固的要求，设计了专用套筒，该套筒每次只能紧固1个螺母，紧固第2个螺母不受第1个螺母影响。套筒材质选用高强度合金钢锻件毛坯锤件，提高套筒强度，降低套筒质量，它仅为国家标准质量的75%;套筒具有自锁功能，防止高空坠落;套筒外表面做了抛光发黑处理，可有效抗金属表面氧化，产品美观，适应现场施工环境要求。本项目研制的套筒与国标套筒质量对照见表6。

表6 本项目研制的套筒与国标套筒质量对照表Tab.6 Comparison of weight between developed sleeve and national standard sleeve kg

1.3.7 配套电源

配套电源选用适于野外作业环境的轻型AC 220 V发电机，单台发电机容量约5.0 kW，单台质量约75 kg，考虑4套电动扭矩扳手同时使用，可配备2台发电机，每台发电机为2套电动扭矩扳手供电。发电机出线应先进入施工电源配电箱，加强用电安全管控。电动扭矩扳手电源线选用3×25 mm2三芯铜芯电缆，其中2根铜芯线作供电电源线，剩余1根作保护接地线。在施工作业点的电缆端头采用RS系列工业用防水、防尘连接器与电动扭矩扳手连接，防止意外掉电和触电。施工配电箱内需设置过载保护、漏电保护、欠压保护等装置，对无输出电压、频率装置的发电机，应在配电箱内安装电源、频率指示装置。配电箱、发电机外壳必须作接地处理，接地电阻不得大于4 Ω。现场电源线布线如图3所示。

图3 RS系列工业用防水防尘连接器Fig.3 RS industrial waterproof-dustproof connector

1.4 直流电动扭矩扳手的研制

所研发的直流电动扭矩扳手采用单片机控制技术，通过智能操作面板来设定控制电机输入电流，实现扭矩值的精确输出。

1.4.1 电池包

采用了特高容量、小体积、压缩型动力镍氢电池，电池包内装有自主研发的温保装置及热敏电阻，使电池工作及充电温度控制在55℃以内，实践证明电池寿命较原来提升2～3倍，是市场同类产品的5～6倍。为确保高空作业的施工安全，电池安装包具设计有锁扣和防坠落装置，有多头螺纹设计的防坠落装置，保证了作业安全，操作简单、使用方便。

1.4.2 智能集控系统

(1)控制面板。为便于施工现场操作，在电动扭矩扳手上设置扭矩微调按键“++”、“－－”，并在显示屏上显示扭矩值。长按“++”号键1s，显示屏将进入显示扭矩微调值界面，然后通过“++”、“－－”设定扭矩值。

(2)察看预紧螺栓颗数功能。长按“－－”号键1 s，显示屏将显示螺栓紧固个数。电动扭矩扳手在预紧每一颗螺栓时，扳手将自动累计所紧固螺栓的数量，并记忆上次输出扭矩值，具有防过载功能。

(3)低压报警。蓄电池电量在使用一段时间后，电压会有所降低。在输出设定扭矩值不变的情况下，电压降低会造成电流输出较大，进而使得电池严重发热而损坏。低压报警系统会在电压低于设定值后发出蜂鸣报警声，并在显示屏上显示LO字样，提醒需更换电池。

(4)错误报警。当预紧扭矩值与设置值不符时，需松开螺栓，重新扭紧1次，此时将出现错误报警，并在显示屏上出现EET，表示此次操作失败，控制系统对本次操作不做记录。

(5)恒功恒速和无极调速功能。直流电动扭矩扳手从开机到过载保护自动停止，输出转速始终是5 r/min，确保螺栓受力均匀及操作者的安全，扭矩值可在100～700 N·m任意设置，实现无级调速功能。在扭矩值达到预定时，可自动回转，解决了在预紧螺栓过程中螺母与套筒之间咬死的问题，减少了一些烦琐的操作程序，加快螺栓的紧固速度，提高了工作效率。

(6)直流电动扭矩扳手的结构分解如图4所示。

图4 直流电动扭矩扳手Fig.4 DC electrical wrench

1.5 电动扭矩扳手的特点

本项目属于组塔施工机具创新领域，共申报2项发明专利和1项实用新型专利。

(1)针对钢管塔法兰螺栓特点，研制了专用套筒。套筒的壁厚和大小完全符合带劲法兰的要求，套筒内部受力均匀。

(2)直流电源扭矩扳手可在无交流发电机的施工环境下工作，电源不足时自动报警，在螺栓紧固扭矩值检查方面具有很大优势。

(3)紧固到预定扭矩后可自动逆转3°，便于取下套筒。

(4)采用数码扭矩显示器，便于施工操作。

(5)质量明显低于国外同类产品，约轻10%。

(6)研制中空头，解决了钢管塔斜材处螺栓难以紧固的问题。

(7)采用无级调速，提升了紧固效率。

(8)轴承采用调芯设计，避免电机过热，大大降低了噪音。

1.6 电动扭矩扳手经济效益分析

在“皖电东送”工程钢管塔首基试点中，进行了电动扭矩扳手试用检验。施工18标K47塔(塔型:SZ322－60)，共有螺栓13471个，分别为6.8级螺栓10984个(型号分别为M16、M20)，8.8级螺栓2487个(型号分别为 M20、M24、M33、M36、M39)。使用SJDB-A400型扳手紧固12499个，平均螺栓紧固效率为15 s/颗;SJDB-A800型扳手紧固972个，平均螺栓紧固效率为45 s/颗。总体效果与实验室试验结果一致，紧固精度和紧固效率符合预期，具备全面推广的条件。

在大扭矩螺栓紧固问题方面，电动扭矩扳手已成为必需工具。1套电动扭矩扳手费用在20万元左右，技术日益成熟后，费用会进一步降低。

2 电动扭矩扳手使用前景展望

所研制的电动扭矩扳手解决了大扭矩高强度螺栓紧固难题，紧固范围为100～2500 N·m。因人力所能紧固的最大扭矩约为250 N·m，在紧固扭矩超过250 N·m时，必须采用电动扭矩扳手。随着人力成本的提高和施工机械化水平的提升，螺栓紧固工作会逐步淘汰人力机械扳手，将更多地习惯于使用电动扭矩扳手等施工效率高、紧固精度高的新型机具。在未来输电建设铁塔组立施工中电动扭矩扳手将具有很好的使用和推广价值。

3 结语

本项目所研究的高强度电动扭矩扳手，解决了“皖电东送”特高压工程8.8级高强度螺栓紧固难题，并首次在工程中使用，填补了我国输电线路工程建设电动扭矩扳手应用的空白，引领了我国输变电工程建设螺栓紧固的发展方向;提高了螺栓紧固的精度，进一步保证了工程质量，有效地保证了输电线路结构的长期运行安全。可以展望，电动扭矩扳手的大规模推广应用，必将推动螺栓紧固施工方法的革命性变革。

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